Origine de la réduction de la durée de vie des photoporteurs dans le InGaAsP implanté à basse température

Abstract

Un matériau semi-conducteur utilisé lors de la fabrication d’antennes térahertz (THz), le quaternaire InGaAsP (E_g = 0,79 eV), subit une implantation ionique de Fe suivi d’un recuit thermique rapide (RTA) dans le but d’améliorer ses propriétés d’émission. Le recuit est nécessaire afin de recristalliser la couche amorphisée lors de l’implantation, donnant lieu à un polycristal rempli de défauts de recristallisation. On constate cependant que les matériaux implantés Fe offrent de meilleures performances que ceux simplement endommagés au Ga. Dans le but de départager l’effet des défauts de recristallisation et des impuretés de Fe, des mesures de spectroscopie transitoire des niveaux profonds (DLTS) et de DLTS en courant (I-DLTS), ainsi que de spectrométrie de masse d’ions secondaires par temps de vol (ToF-SIMS) ont été effectuées sur des échantillons non implantés et d’autres recristallisés. Les mesures DLTS et I-DLTS ont pour but de caractériser les niveaux profonds générés par ces deux procédures postcroissance, tout en identifiant le rôle que jouent les impuretés de Fe sur la formation de ces niveaux profonds. De plus, le voisinage des atomes de Fe dans le matériau recristallisé a été étudié à l’aide des mesures ToF-SIMS. Les mesures DLTS sur matériau recristallisé sont peu concluantes, car la mesure de capacité est faussée par la haute résistivité du matériau. Par contre, les mesures I-DLTS sur matériau recristallisé ont permis de conclure que les impuretés de Fe sont responsables de la formation d’une grande variété de niveaux d’énergie se trouvant entre 0,25 et 0,40 eV, alors que les défauts de structure induisent des niveaux de moins de 0,25 eV. La concentration de Fe est élevée par rapport au seuil de solubilité du Fe dans le matériau recristallisé. Il serait donc plausible que des agrégats de Fe se forment. Toutefois, cette hypothèse est infirmée par l'absence de pic aux masses correspondant à la molécule ^(56)Fe_2^+ sur les spectres ToF-SIMS. De plus, un modèle simple est utilisé afin d’estimer si certaines masses présentes sur les spectres ToF-SIMS correspondent à des liaisons non induites par la mesure dans le matériau recristallisé. Bien qu’aucune liaison avec le Ga et l'As n’est détectable, ce modèle n’exclut pas la possibilité de liens préférentiels avec l’In.

A semiconductor material used in the manufacture of terahertz (THz) antennas, the InGaAsP quaternary (E_g = 0,79 eV), is Fe-ion implanted followed by Rapid Thermal Annealing (RTA) in order to improve its emission properties. The annealing is required to recrystallize the layer that was amorphized during implantation, resulting in a polycrystal filled with recrystallization defects. However, the Fe-implanted materials provide better performance than those simply damaged with Ga. In order to disentangle the effect of recrystallization defects and of Fe impurities, Deep-Level Transient Spectroscopy (DLTS) measurements, current DLTS (I-DLTS) measurements and Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS) were carried out on non-implanted and on recrystallized samples. The DLTS et I-DLTS measurements aim to characterize deep levels generated by these two post-growth fabrication processes, while identifying the role of Fe impurities on the formation of these deep levels. In addition, a study of the vicinity of Fe atoms in the recrystallized material was performed using ToF-SIMS measurements. The DLTS measurements on recrystallized material were inconclusive because the capacitance measurements were distorted by the high resistivity of the material. On the other hand, the I-DLTS measurements on recrystallized material allowed us to conclude that the Fe impurities are responsible for the formation of a wide variety of energy levels lying between 0.25 and 0.40 eV, while structural defects induce levels lower than 0.25 eV. The Fe concentration is high compared to the solubility threshold of Fe in the material. It is therefore possible that Fe clusters are formed. However, this hypothesis is invalidated by the absence of a peak at the mass channels corresponding to the molecule ^(56)Fe_2^+ on ToF-SIMS mass spectra. Moreover, a simple model is used to estimate whether certain masses present on ToF-SIMS spectra correspond to actual bonds in the recrystallized material, not induced by the measurement. While no bonds with Ga and As were detectable, this model does not exclude the possibility of preferential binding between with In.