Elektrische modellering en karakterisering van „extended defects“ in n type InxGa1-xAs-systeem

De groei-geïnduceerde uitgebreide defecten zoals misfit-dislocaties, threading-dislocaties en stapelfouten in het n-type InGaAs-systeem (indiumgehalte 30% ∼ 80%) zijn uitgebreid en systematisch bestudeerd met betrekking tot hun elektrische eigenschappen en apparaatimpact (pn-juncties ). In dit proefschrift worden de n-type InGaAs-lagen zorgvuldig gekweekt op SI-InP- of SI-GaAs-substraten door de MOCVD-techniek om een variërende defectdichtheid en defecttypes te verkrijgen, gevolgd door pn-diodefabricage voor elektrische karakterisering. De structurele informatie over het defect wordt onthuld door SEM(ECCI), TEM, AFM en XRD.

Er worden twee verschillende sets monsters geselecteerd voor verder onderzoek. De eerste set is gebaseerd op een vast indiumgehalte in het actieve n-type In.53Ga.47As (Nd ∼ 1−2×1016 cm−3) met verschillende δTD(=TDD) en MD+SF lijndichtheid variërend van 105 tot 2 × 109 cm−2. Deze defecten worden opzettelijk geïntroduceerd door een In.xGa.1−xAs (x=0.13 ∼ 0.53) n+ laag bovenop het substraat te laten groeien en kunnen zich voortplanten/uitglijden in de p+/i-In.53Ga.47As lagen, erop gegroeid van de n+ laag. Door XRD-analyse wordt geverifieerd dat de n-laag van belang een niet-gespannen laag is. De JA−Vr-curven van de corresponderende pn-overgangen laten een geleidelijke toename van de tegenstroom zien wanneer de EDD's hoog worden. Na zorgvuldige vergelijking zijn de tegenstroom (∝ τ−1 g ) en recombinatiestroom (∝ τ−1 r ) ruwweg evenredig met de δ−1 TD met een overeenkomstige minderheidsvangstdwarsdoorsnede van 5 × 10−16 ∼ 5 × 10−17 cm2 en een mid-gap-niveau van de bijbehorende GR-centra. Deze TD-geïnduceerde GR-centra hebben een zeer sterke verbetering van het elektrisch veld (Fmax) wanneer Fmax groter is dan 6 × 8 × 104 Vcm−1, wat kan worden gemodelleerd door het TAT-mechanisme met een 10 keer kleinere effectieve tunnelmassa (mt). De mt-functie is verklaard door de extra interne
overgangen met snelheid Γi voorafgaand aan het TAT-proces. De Fmax-verbetering en de TD-gerelateerde G-R-centra zijn verder bevestigd door de DLTS- en PL-meting, wat consistente resultaten laat zien met betrekking tot de trapniveaus, σp en NT /δTD.

De tweede set InGaAs-samples is ontworpen met de volledige In.xGa.1−xAs p+/i/n+ stapels bovenop het SI-InP-substraat met vaste x=0,47 ∼ 0,73. De dominante defecten zijn voornamelijk gebaseerd op de grootte van de roostermismatch en het type relaxatie (treksterkte/compressie), wat leidt tot α-MD+SF's (treksterkte, kleine roostermismatch), β-MD+schroefdislocaties (compressieve, kleine roostermismatches ) en TD + MD (twee typen, groot rooster-mismatch). De generatie/recombinatiestroom van de gerelateerde pn-overgangen wordt ook gedomineerd door de defect-geïnduceerde stroom. Dezelfde elektrische verbeteringsfactor (ΓTAT ) wordt waargenomen voor alle monsters bij tegenstroom, wat de aanwezigheid suggereert van hetzelfde TAT-mechanisme en door TD gedomineerde G-R-stroom voor de
tweede reeks monsters. Bovendien hebben we gemerkt dat de monsters met rijke SF's + gedeeltelijke dislocaties over het algemeen een kleinere τg en τr hebben in vergelijking met de voorspelde levensduurtrend door alleen TD's te beschouwen, wat aangeeft dat SF's + gedeeltelijke dislocaties elektrisch actief moeten zijn en bijdragen aan de huidige lekkage. We konden het onderliggende trapniveau echter niet identificeren in DLTS-analyse.

Op alle monsters is DLTS uitgevoerd om de ED-gerelateerde vallen te analyseren/identificeren. Het is bevestigd dat de H1- en E2-vallen behoren tot een enkele brede dichtheid van bezette toestanden die zich over het midden van de band-gap uitstrekken en zijn toegewezen aan de TD-gerelateerde vallen zoals hierboven vermeld. Behalve de H1/E2-vallen, worden ook drie extra ED-gerelateerde trapniveaus E1, H2 en H3 waargenomen, die respectievelijk zijn toegewezen aan de α-MD, schroefdislocaties en β-MD. Door te combineren met de gerelateerde literatuur hebben we de evolutie van deze vallen afgeleid in functie van het indiumgehalte, zoals weergegeven in vergelijking 5.5, 5.6 en 5.8. Overzichtscijfers van ED-gerelateerde vallen in het InGaAs-systeem zijn ook weergegeven in figuur 5.19 (elektronenvallen) en 5.20 (gatvallen). Daarnaast worden ook gedetailleerde vangstkinetiek en de verdeling van de multi-staten van ED-gerelateerde vallen onderzocht, wat wijst op het bandachtige kenmerk van E2/H1- en H2-niveaus en de gelokaliseerde toestanden voor E1 en H3. De sterke Fmax-verbetering wordt ook gevalideerd door de dubbel gecorreleerde DLTS, die een sterk verband vertoont met de JV − Vr(T)-kenmerken.

Op basis van de hierboven geëxtraheerde trapparameters is het transportgedrag van ED-gerelateerde vallen onderzocht met behulp van de commerciële Sentarus-TCAD-software in combinatie met het geavanceerde model gerapporteerd door Scheinemann en Schenk. We hebben een nieuwe dynamische methode ontwikkeld voor de berekening van de bezettingskans (ft) die zowel het ft-probleem zelfconsistent kan oplossen als de potentiële barrière kan afleiden in het kader van MSC. De convertibiliteit tussen ons systeem en de literatuurbenadering is ook aangetoond. Hoewel de fittingresultaten van puntdefecten (referentiemonster) een goede overeenkomst vertonen met het experimentele gedrag, zijn de modelresultaten van ED-gerelateerde vallen in tegenspraak met de experimentele gegevens. Na verschillende proeven en fouten hebben we geconcludeerd dat een complexer model, inclusief de Fmax-verbetering en de interne overgang met meerdere toestanden, cruciaal zijn voor een succesvolle modellering. Daarom hebben we een stap terug gedaan om een
alternatieve eenvoudige methode (SRH) die alleen rekening houdt met het effectieve trapniveau en de GR-levensduur in het hele systeem zonder kennis van de interne overgangen binnen de ED-band van toestanden. In dat geval kunnen behoorlijke resultaten worden bereikt die passen bij de experimentele JV − Vr(T)-resultaten.