MISE EN ÉVIDENCE D'UN NIVEAU ÉLECTRONIQUE DANS ZnTe IMPLANTÉ AVEC DES IONS Al

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Submitted on 1 Jan 1974

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MISE EN ÉVIDENCE D’UN NIVEAU

ÉLECTRONIQUE DANS ZnTe IMPLANTÉ AVEC DES IONS Al

J. Pautrat, M. Quillec, J. Pfister

To cite this version:

J. Pautrat, M. Quillec, J. Pfister. MISE EN ÉVIDENCE D’UN NIVEAU ÉLECTRONIQUE DANS

ZnTe IMPLANTÉ AVEC DES IONS Al. Journal de Physique Colloques, 1974, 35 (C3), pp.C3-187-

C3-190. �10.1051/jphyscol:1974327�. �jpa-00215575�

JOURNAL DE PHYSIQUE

Colloque C3, supplément au no 4, Tome 35, Avril 1974, page C3-187

MISE EN ÉVIDENCE D'UN NIVEAU ÉLECTRONIQUE DANS ZnTe IMPLANTÉ AVEC DES IONS Al

J. L. PAUTRAT, M. QUILLEC (*) et J. C. PFISTER (+)

CEA-CEN Grenoble DRF-GIPhysique du Solide, BP 85, Centre de Tri, 38041 Grenoble Cedex, France Résumé.

Des diodes Schottky In-ZnTe sont utilisées pour étudier les propriétés électriques d'une couche superficielle de ZnTe éventuellement dopée par implantation ionique,

A basse température, l'échantillon est éclairé avec une lumière de longueur d'onde légèrement supérieure à la longueur d'onde d'absorption fondamentale, ce qui met tous les niveaux profonds de la zone de charge d'espace dans une situation hors d'équilibre et conduit à une variation de la capacité de la diode. Le retour a l'équilibre peut être obtenu par excitation optique ou par chauffage.

Dans le cas d'échantillons de ZnTe implantés (1011 et 1012 Allcm2, 140 keV) et recuits (500 OC, 30 min sous vapeur de zinc), ces méthodes ont permis de mettre en évidence le piégeage d'électrons sur un niveau dont la réexcitation optique a lieu pour hv

0,5 eV.

.La variation avec la température de la constante de temps de relaxation indique que le niveau est

Ec

0,33 eV et que sa section de capture pour les électrons est - 10-1s cm2.

Des expériences complémentaires sont en cours pour déterminer la nature chimique du défaut.

Abstract.

In-ZnTe Schottky diodes are used in order to study the electrical properties of the superficial layer of a ZnTe crystal, eventually doped by ion implantation.

At low temperature, the sample is illuminated with light whose wavelength is near the funda- mental absorption edge of the crystal, causing al1 the deep levels in the space charge region to be put out of equilibrium, thus changing the capacitance of the diode. The return to equilibrium can be effected by either optical or thermal excitation.

For the case of ZnTe crystals implanted (1011 and l o i z Allcmz, 140 keV) and annealed (500 OC.

30 min under Zn vapour) this method has allowed the detection of the trapping of electrons on a level whose optical re-excitation takes place for hv

0.5 eV.

The variation with temperature of the time constant for spontaneous relaxation of the levels indicates that this level lies at Ec

0.33 eV with an electron capture cross section of - ^{1015 cm2.}

Complementary work is being carried out to determine the chemical nature of the defect.

1 . Introduction.

Les techniques habituelles de dopage, largement utilisées pour les semiconducteurs des groupes IV ou III-V sont inefficaces pour produire le changement de type dans la plupart des com- posés II-VI ; en particulier le ZnTe reste toujours de type P, ou au mieux de type N haute résistivité

(E

105

IO7 R.cm) [l], [2], [3].

Une méthode envisagée pour produire une conducti- vité de type N tout en évitant le phénomène d'auto- compensation par génération de lacunes de zinc, consiste à introduire des donneurs par implantation ionique 141. Cette technique permet d'obtenir des diodes électroluminescentes mais dont les propriétés semblent impliquer l'existence d'une couche intrin- sèque.

Caractéristiques des dlfférenfs écl~antillons

Dose

Cristal no (ions!cm2) Recuit

(cm---')

(cm-3)

- -

- - - - -

ZT 84

R7 O O 7-9 x 10'6 O

ZT 84 R1

O 500°C 7-10

1016 O

ZT 84 R6 ^'

1011 500

1-5 x 10ls

qq x 1015

R4 1012 50O0C 3-15 x 1015

qq x 1016 Après implantation, un recuit de 30 min est effectué sous pression de zinc, voisine de la pression de satu- ration. Des échantillons témoins n'ont été ni implantés, ni recuits. Ensuite tous les cristaux reçoivent une éva- poration d'indium à travers un masque métallique qui 2. Expérimental.

Les cristaux de ZnTe utilisés délimite des électrodes de 0,3 mim-de diamètie. Ûn

nous ont été fournis par le laboratoire de Physique contact ohmique sur le substrat est pris par dépôt des Solides du CNRS (Bellevue). d'or « electroless ».

Ils subissent d'abord les traitements habituels de L'échantillon est collé Sur Une embase de transistor rodage et polissage mécanique, de chimique à l'aide d'une résine époxy. Puis le Contact est pris sur (0,4 "/, brome dans méthanol) puis l~implantation les plots d'indium en soudant un fil d'or chauffé, avec d'ions Al de 140 keV est réalisée aux doses indiauées d'une bille d'indium.

tableau 1. Cet ensemble est monté dans un cryostat dont la

température est variable entre 80 et 300 K . Il peut

CEA-CENG Laboratoire d'Electronique et de Techno- être éclairé par sa face supérieure, la lumière pénétrant logie de l'Informatique.

(+)

CENG-DRF et Scientifique et Médicale de jusqu'à l'interface In/ZnTe par réflexion sur la face

Grenoble. dorée.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1974327

C3-188 3.

L. PAUTRAT, M.

PFISTER 3. Mesures.

Les diodes Schottky In/ZnTe ainsi

fabriquées présentent des caractéristiques de rectifica- tion satisfaisantes bien que la caractéristique I(V) en direct ne suive pas la loi exponentielle théorique mais plutôt une loi I - ^{v ~ - ~ .} Ce fait n'a pas été expliqué.

Les mesures ont surtout porté sur les caractéristiques capacité-tension en inverse (In négatif) qui permettent en premier lieu de déterminer au moins approximati- vement la valeur du dopage de surface. On a indiqué tableau 1, sous Na, les limites entre lesquelles évolue ce dopage dans la gamme des profondeurs analysées.

Le léger gradient observé sur les diodes non recuites est peut-être dû à une imperfection de l'analyse (capacité parasite).

II est clair que l'implantation introduit une compen- sation du dopage initiai.

3.1 MISE

ÉLECTRONS.

La courbe 1 de la figure 1 représentele tracé C-'(V) que l'on peut obtenir à 80 K (la densité locale de charge d'espace est proportionnelle à l'inverse de la pente de cette courbe).

Sous la tension inverse la plus élevée (10 V) l'échan- tillon est éclairé avec une lumière monochromatique voisine du bord de bande d'absorption (hi, = 2,07 eV).

La capacité croît alors (point E de la figure) et redé- croît instantanément d'une faible partie de la variation initiale à Ia mise en obscurité.

En ramenant la tension à O, on peut mesurer la courbe 2 de la figure 1 et ensuite la capacité évolue de façon réversible sur la courbe 3 voisine de la courbe initiale.

Cette expérience indique que, lors de l'éclairement, des électrons ont été piégés ; ils disparaissent si on les

met en présence de trous libres, en réduisant la zone de charge d'espace par exemple.

Ceci explique le passage de la courbe 2 à la courbe 3 et permet également d'interpréter la partie AB de la courbe 2. En effet, pendant I'écIairement un faible effet photovoltaique produit un accroissement de la capacité. A la mise en obscurité, la capacité rediminue rapidement (passage de E à A) mais la charge d'espace s'étend alors dans une région du semiconducteur où toutes les populations ont été ramenées à l'équilibre thermodynamique par capture de trous. On verra donc également une charge d'espace différente en ramenant la polarisation de A à B. On vérifie d'ailleurs que le point B correspond approximativement à la même capacité que le point E.

Au cours des paragraphes suivants, nous allons décrire les expériences qui ont permis de déterminer les caractéristiques du piège observé.

3.2 DENSITE. - Les courbes 2 et 3 de la figure 1 indiquent que la densité de charge d'espace est passée de 3,4 x 1016 cm-3 à 4,3 x 10'' cm-3 lors de la remise à polarisation nulle. La densité de centres pièges est donc supérieure à 3 x I O f b cmw3 dans cet échan- tillon particulier (ZT 84 R4). Les valeurs obtenues sur les échantillons implantés sont consignées dans le tableau 1.

3.3 NIVEAU ÉNERGETIQUE.

Les résultats précé- dents ne permettent pas de dire s'il s'agit d'un seul niveau. Une réponse globale à cette question est obte- nue en regardant la variation de la capacité en réponse à une montée linéaire de la température (Fig. 2).

A 80 K i'échantillon est d'abord polarisé en inverse sous - 3 V (Point 1 : 4,4 pF). Pendant l'éclairement avec des photons d'énergie 2,07 eV, la capacité monte à 5,54 p F (point E). L'échantillon est remis à I'obs- curité et le chauffage commencé. En moins de 2 min

5 ¹₁ ^, _-----4

BO I ~ O 150 zoo r 9 ~ 1

Fic. 1. -

Variation de C-Qvec la tension inverse appliquée.

1.

Courbe initiale

Après éclairement

Après remise

FIG. 2. - Capacité stimulée thermiquement.

4

Vx

O. 6 x 10-2 K,s-1.

MISE EN

ÉVIDENCE D'UN NIVEAU ~LECTRONIQUE DANS ZnTe id capacité a atteint une valeur stable 5,21 pF

(point B). Les mesures sont faites à I kHz.

La vitesse de chauffage est d'environ 4 à 6 x IO-' K . s - l .

La décroissance de la capacité s'opère en deux stades très séparés :

-

stade C autour de 113 K : AC = 0,07 pF, - stade D autour de 140 K : AC = 0,5 pF.

Le premier stade a une amplitude trop faible pour être étudié de façon correcte ; le second, par contre, peut faire l'objet de mesures de constantes de temps de décroissance à différentes températures.

Avant d'aborder ce point, il faut remarquer encore sur la figure 2 que, après retour à la température ini- tiale (point G), la capacité reste légèrement supérieure à sa valeur de départ. Cependant ce même point G est obtenu si on fait subir le même cycle thermique à l'échantillon sans éclairement préalable, c'est donc le point d'équilibre de l'échantillon refroidi sous polari- sation inverse.

La figure 3 indique la décroissance avec le temps de la variation de capacité consécutive à un éclairement à 2,07 eV. Si l'on excepte un transitoire initial dont l'amplitude varie entre O, 1 et 0,15 pF, toute la variation est correctement exponentielle. Sur la figure 4 la variation de la constante de temps est indiquée en fonction de l'inverse de la température. La variation est exponentielle dans le domaine des hautes tempéra- tures avec une énergie d'activation : E,

330 meV.

Puisque la recombinaison avec des trous libres est

FIG. 3. - Relaxation de la capacité après éclairement.

FIG.

Variation de la constante de temps de relaxation avec l'inverse de la température absolue.

impossible dans la région de charge d'espace, le seul processus possible pour la disparition des électrons piégés est une émission vers la bande de conduction.

La constante de temps de ce phénomène doit être donnée par une relation du type :

7 - 1 =

on V. ^N. exp (- 2)

où V , est la vitesse thermique des électrons, a, la section de capture pour les électrons, N, la densité d'états de la bande de conduction.

IV, et Y , sont calculés avec une masse effective électronique : m = 0,09 mo. De la valeur expérimen- tale de E,, on déduit la section de capture

5,

= c m Z .

En ce qui concerne la décroissance plus rapide dans les premières minutes qui suivent la mise en obscurité, il faut remarquer que son amplitude correspond appro- ximativement à celle du stade C de la figure 2. Le début des cinétiques serait donc dominé par la rela- xation légèrement plus rapide d'électrons piégés sur un autre niveau.

Enfin, il faut remarquer que, dans le domaine des

basses températures, la variation de constante de

temps s'écarte de la relation exponentielle. Ceci

signifie sans doute que fa relaxation des électrons

piégés est progressivement dominée par un autre

mécanisme dont la variation avec la température est

C3-190 J. L. PAUTRAT, M. QUILLEC ET J. C. PFISTER plus lente (capture de trous générés en surface et se

déplaçant à travers la charge d'espace, lumière parasite...).

3 . 4

On peut chercher à vérifier la position énergétique du niveau piège en produisant la transition à l'aide de photons dont l'énergie correspond exactement à la différence El

E,

E,

El.

Le premier cas (piégeage) a été étudié en éclairant avec des photons d'énergie croissante (Fig. 5). Le temps d'éclairement est de 10 mn pour chaque longueur d'onde. La résolution en énergie du monochromateur est indiquée sur la figure.

Le seuil de piégeage est voisin de 2 eV, ce qui confirme I'existence d'un centre à :

E,

E, - ^E,

^{2 eV}

0,37 e V .

En ce qui concerne le dépiégeage, il a seulement été possible de l'observer pour des photons d'énergie hv > 0,52 eV. Aux plus faibles énergies. la relaxation thermique, bien que très lente reste dominante. Mais la lampe utilisée ne fournit que très peu d'énergie pour des longueurs d'onde 1. 2,s p.

Ces expériences tout en confirmant I'existence d'un piège voisin de 0,33 eV, ne permettent pas de connaître avec plus de précision sa position énergétique.

4. Discussion des résultats.

Un centre de capture électronique a été mis en évidence. Ce centre a, jusqu'à présent, été observé sur des échantillons recuits à 5 0 0 C après implantation de 10" ou 1012 ions Al par cm2 (140 keV). II n'a pu être décelé sur des échantillons non implantés issus du même cristal quelle que soit la température de recuit.

De plus sa densité apparente est 4 A 5 fois plus grande sur l'échantillon implanté à plus forte dose.

Ces résultats suggèrent donc que le centre mis en évidence est directement lié à l'implantation. Dans l'état actuel des expériences, on ne peut pas dire avec certitude s'il est associé à l'aluminium ou à un défaut d'implantation.

La mesure du dopage du semiconducteur indique I'existence de centres compensateurs. Le niveau en question pourrait donc être associé à un donneur.

5. Conclusion.

Un niveau électronique situé à 330 meV en dessous de la bande de conduction (a,

cm2) a été observé dans des échantillons de ZnTe implanté avec de l'Al. Des expériences en cours doivent permettre de déterminer si ce défaut est effectivement associé à l'ion implanté ou à des défauts d'irradiation. D'un point de vue pratique, l'observation de ce niveau va permettre de déterminer expérimentalement les conditions d'implantation et de recuit conduisant à une efficacité électrique optimum.

Remerciements.

Nous remercions MM. L. Revoil FIG. 5. Capacité mesurée après éclairement

différentes

longuei~rs d'onde (temps d'éclairement 10 min par point). La et B. Katircioglu qui ont mené à bien la plupart des résolution du monochromateur est indiquée. expériences décrites.

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DISCUSSION

P. J . DEAN.

What is the conductivity of the type 1014 ions/cm2 (qui permettent la réalisation de diodes converted layers you have prepared ? Have you électroluminescentes), la couche implantée est trop checked whether similar effeçts occur with implanta- résistante pour que sa conductivité puisse être distin- tion by inert gas ions, preferably of mass similar to Al ? guée de celle du substrat.

J. L. PAUTRAT.

1. A des doses d'implantation de 2. Cette expérience n'a pas encore été faite.