HAL Id: jpa-00215310
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Submitted on 1 Jan 1973
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ÉTUDE PAR CANALISATION DES DÉFAUTS CRÉÉS DANS GaAs PAR L’IMPLANTATION DE Zn+
DE 1 MeV
A. Guivarc’H, H. l’Haridon
To cite this version:
A. Guivarc’H, H. l’Haridon. ÉTUDE PAR CANALISATION DES DÉFAUTS CRÉÉS DANS GaAs
PAR L’IMPLANTATION DE Zn+ DE 1 MeV. Journal de Physique Colloques, 1973, 34 (C5), pp.C5-
119-C5-124. �10.1051/jphyscol:1973523�. �jpa-00215310�
JOURNAL DE PHYSIQUE
Colloque C5, supplément au no 11-12, Tome 34, Novembre-Décembre 1973, page C5-119
ÉTUDE PAR CANALISATION DES DÉFAUTS CRÉÉS DANS GaAs PAR L'IMPLANTATION DE Zn+ DE 1 MeV
A. GUIVARC'H et H. L'HARIDON Département PMT
Centre National d'Etudes des Télécommunications Route de Trégastel, 22301 Lannion, France
Résumé.
-Le profil de défauts résultant du bombardement ionique d'un monocristal est d'un grand intérêt pour de nombreuses applications. Nous avons utilisé la méthode de rétrodiffusion
àgrand angle d'ions He+ de 1,5 MeV canalisés, pour étudier la distribution des centres de diffusion créés par l'implantation
à77 K d'ions Zn+ de 1 MeV dans GaAs. Nous avons analysé les spectres de rétrodiffusion
àl'aide des calculs de diffusion plurale de Keil et de Meyer et de l'approximation linéaire de Ziegler.
Les résultats de ces mesures peuvent se résumer ainsi
:Les calculs de Keil et Meyer vérifiés sur des couches évaporées de Ge, ne donnent pas de très bons résultats dans le cas de nos spectres
:les phénomènes de diffusion des ions du faisceau d'ana- lyse ne sont pas les mêmes sur une zone endommagée que sur un film amorphe.
Le pic et la largeur de la distribution de défauts sont en bon accord avec les calculs théoriques de Sigmund et Sanders sur le profil d'énergie déposée par les ions dans les solides. Nous montrons qu'il est nécessaire de tenir compte de l'énergie transportée par les atomes déplacés loin de leur position primitive.
Abstract.
-The depth profile of the lattice disorder resulting from ion bombardment of single crystal is of interest in many applications. Channeling effects on the yield of large angle backscat- tered 1,5 MeV He+ were used to investigate the scattering centers distributions in 1 MeV zinc implanted gallium arsenide at substrate temperature of 77 K. We have used the plural scattering treatments of Keil and Meyer and the linear scattering approximation of Ziegler to analyse the spectra.
The results of the measurements may be summarized as follows
:The treatments of Keil and Meyer, verified on evapored layers of Ge, do not work fairly well in Our case
:the scattering effects of the analyzing beam were not the same on a damaged region and on an amorphous film.
The peak and the width of the damage distribution agree with the Sigmund Sanders's theorical calculations of the distribution of energy deposited by ions in solids. The necessity of taking the energy transported by recoils away from their point of origin into account is demonstrated.
1. Introduction. - Nos précédents travaux sur les implantations
àhaute énergie de Zn' dans GaAs concernaient la détermination des profils de Zn' implantés (Favennec 1971) [Il et l'étude de la guéri- son de GaAs en fonction de la température de recuit (Guivarc'h, Favennec et Pelous 1972) [2]. A l'aide de la rétrodiffusion d'ions Hef canalisés, nous avons suivi l'évolution des défauts créés en fonction de la dose implantée et nous avons cherché à extraire les profils de défauts des spectres de rétrodiffusion obtenus.
2. Montages expérimentaux.
-Les montages expérimentaux servant
àl'implantation et aux ana- lyses par rétrodiffusion ont été décrits en détail par ailleurs [2], 131, [4] et [5] et nous n'en donnerons que les caractéristiques essentielles.
Les plaquettes de GaAs sont portées à la tempé- rature de l'azote liquide durant l'implantation et
désorientées de 7O par rapport au faisceau incident de façon à éviter les phénomènes de canalisation sui- vant l'axe < 11 1 >. La densité de courant du fais- ceau de 64Zn' de 1 MeV produit par le générateur Van de Graaf est de l'ordre de 20 nA/cm2 durant toutes les implantations.
Les études de rétrodiffusion ont été réalisées à la température ambiante à l'aide de l'accélérateur Van de Graaf du Centre National d'Etudes des Télécom- munications. Un faisceau bien collimaté (0,020) d'ions d'hélium de 1,5 MeV bombardent l'échantillon placé sur un goniomètre permettant l'alignement précis du faisceau sur les axes principaux du monocristal
( -0,020). Le spectre en énergie des ions rétrodiffusés est obtenu à l'aide d'un détecteur à barrière de sur- face et d'un analyseur de 1024 canaux. Le courant d'analyse est de l'ordre de 1 à 2 nA et la dose inté- grée totale de 0,25 pC par spectre.
Nous avons utilisé des échantillons de GaAs
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1973523
C5-120 A. GUIVARC'H ET H. L'HARIDON Monsanto homogènes, orientés < 11 1 >, dopés tel-
lure (n = 4 x polis chimiquement face B et contenant environ 1000 dislocations par cm2.
3. Spectres obtenus et méthode d'extraction des profils. - Nous avons reporté sur la figure 1 les spectres de rétrodiffusion obtenus en bombardant l'arséniure de gallium implanté à l'aide d'ions He' de 1,5 MeV. Les déformations des spectres «canalisés
))sont d'autant plus importantes que la dose de Zn implantée est grande.
. .... .
"..
Ga As implanté Zn l M e V 7 7 ° K 7°<111>....
~ e + 1,5 M e V <Ill>....
... ....
...
...
. .
.... ....
....
..."....:... SI
5d0 12 Zn&2... ... .... ... .... . . . . .
-... ....
... ... ...
S.'...
... ...:. . .
... ... ...
Non implanté "" ...
::::::?:?j::., ...
4
Profondeur équivalente ( A ) 5000 O
FIG. 1. -
Spectres de rétrodiffusion obtenus après implantations de Zn+ de
1MeV dans GaAs désorienté
de 7"par rapport
2i<
111>
à 77 K. 6'-
176O.Comme il existe une relation entre l'énergie des particules rétrodiffusées et la profondeur à laquelle elles ont subi un choc, les spectres canalisés sont des images de la qualité cristalline de l'échantillon en fonction de la profondeur. L'échelle en profondeur déterminée par mesure de perte d'énergie ( [ 2 ] , 151) est représentée sur la figure.
L'implantation de Zn a créé une région désordon- née qui consiste probablement en amas d'atomes déplacés et de lacunes entourées de contraintes. La présence de ces atomes situés en dehors des sites cristallins normaux entraîne une diffusion du faisceau aligné sous deux formes :
i) Une rétrodiffusion sous grand angle responsable du pic de défauts sur S, et S,. Les atomes placés à une distance supérieure à la distance minimale d'ap- proche, à cause d'un déplacement ou d'une contrainte locale, contribuent à une partie des centres diffuseurs détectés par rétrodiffusion. En supposant que le ren-
dement « quelconque » (obtenu sur un corps amorphe ou sur un monocristal désorienté) résulte d'un nombre de centres diffuseurs égal à la densité atomique de GaAs (4,42 x at/cm3), le pic obtenu peut être converti en un nombre absolu de centres diffuseurs.
C'est en ce sens que le nombre de centres diffuseurs détectés par rétrodiffusion est une mesure du désordre.
ii) Une diffusion sous petit angle. L'augmentation de la dispersion angulaire du faisceau aligné peut conduire à une décanalisation. Les ions décanalisés peuvent alors être rétrodiffusés par tous les atomes cible (déplacés ou non), ce qui explique que le spectre ne redescende pas après le pic à la hauteur qu'il avait avant l'introduction des défauts bien qu'à cette pro- fondeur l'échantillon puisse être raisonnablement considéré comme intact.
Pour obtenir la distribution en profondeur des défauts, il faut donc calculer la proportion d'ions canalisés à chaque profondeur.
Afin de rendre possible un traitement mathéma- tique assez simple des spectres de rétrodiffusion, les hypothèses suivantes sont habituellement émises [6], 171, FI.
a) Le faisceau d'analyse est constitué d'une compo- sante canalisée et d'une composante quelconque.
b) La composante quelconque est composée de deux parties :
-
la fraction qui aurait été décanalisée dans un cristal parfait,
-
la fraction décanalisée par les centres de diffu- sion créés par l'implantation.
c)
Tous les centres de diffusion donnent la même décanalisation indépendamment de leur position à l'intérieur du canal ou de leur association en amas complexe.
d) Toutes les particules diffusées d'un angle plus grand que l'angle critique de canalisation Sc sont décanalisées. On suppose, en outre, négligeable la variation de Sc en fonction de la profondeur.
e) On néglige la probabilité de (re)canalisation d'une particule de la composante quelconque.
Ceci permet d'écrire que le rendement de la rétro- diffusion d'un faisceau canalisé à la profondeur t est égal à
:x2(t)
:rendement total de la rétrodiffusion à la profondeur t.
xR(t) : fraction du faisceau non canalisé à la pro- fondeur t.
N1(t)/N : rapport du nombre de centres diffuseurs
au nombre d'atomes par unité de volume à la profon-
deur t.
ÉTUDE DES DÉFAUTS CRÉÉS PAR IMPLANTATION DE Zn+ DANS GaAs C5-121
Soit
Pour calculer Nt(t), on suppose que xR(t) a la forme analytique suivante :
X R ( ~ )
=XI(^) + (1 - XI(^)) P(t)
xi(t) : rendement de la rétrodiffusion d'un faisceau canalisé à la profondeur t, sur un échantillon non implanté.
P(t)
:probabilité de décanalisation entre la surface et la profondeur t.
En identifiant une couche endommagée à une couche amorphe contenant le même nombre de centres diffuseurs par unité de surface et en supposant que toute particule défléchie d'un angle supérieur à $, est décanalisée (hypothèse d)), il est possible d'obtenir, à partir des théories de diffusion plurale de Keil [9] et Meyer [IO] correctement vérifiées sur des couches amorphes (annexe l), la proportion de particules décanalisées à chaque profondeur en fonc- tion du nombre de centres diffuseurs rencontrés par le faisceau entre la surface et la profondeur consi- dérée.
Le calcul de Nf(t) s'obtient alors par un processus itératif partant de la surface. On a P(0)
=O et xR(O)
=La valeur de N1(0) déterminée, on calcule P(t) à l'aide de la théorie choisie, ce qui permet d'obtenir la valeur de xR(t) pour la tranche suivante, puis celle de N1(t) et ainsi de suite.
Pour que le profil obtenu soit réaliste, il faut que la concentration de défauts derrière le pic s'annule, c'est-à-dire que la courbe de décanalisation xR(t) rejoigne tangentiellement le spectre aligné en pro- fondeur.
Afin de satisfaire systématiquement ce test de validité Ziegler [8] a proposé un traitement purement mathématique considérant que la décanalisation est directement proportionnelle au nombre de défauts.
Les traitements linéaires de ce genre reviennent à prendre pour P(t) une expression de la forme :
Le paramètre fl est ajusté dans chaque cas de façon à obtenir une concentration de défauts qui s'annule derrière le pic.
4. Résultats et discussion. - Les résultats obtenus à partir des spectres S, et S , sont représentés sur la figure 2. Les théories de Keil et de Meyer donnent des profils pratiquement identiques. Il apparaît daire- ment que ces approches sous-estiment la décanalisa-
-,--Théorie diffusion linéaire
A
-Théorie diffusion plurale
*
YZ
3000
FIG. 2.
-
Spectres expérimentaux, courbes de décanalisationet
profils de défauts obtenus à l'aide des théories de diffusion linéaire et plurale.a) Spectre Sz GaAs implanté 1013 Zn/cmz
1 MeV
77K.
b) Spectre S3 GaAs implanté 2 x 1013 ZnJcm2 1 MeV 77
K.
tion et les profils de défauts extraits des spectres S, et S, ne s'annulent pas en profondeur ce qui consti- tuait le test de validité de la méthode. Ceci montre que les défauts ne sont pas simplement équivalents à une couche amorphe contenant le même nombre de centres de (rétro) diffusion.
Ce résultat est aussi visible sur les courbes de la
figure 3 qui donnent, en fonction de la dose implantée,
le nombre de centres de diffusion déterminé par inté-
gration des pics de défauts et directement par mesure
de la décanalisation totale en utilisant la théorie de
Keil [17]. Les deux méthodes ne donnent des valeurs
identiques qu'à partir du moment où la zone implantée
est complètement amorphisée. La détermination du
nombre de défauts par intégration du pic revient à
considérer le nombre de centres qui donneraient la
même rétrodiffusion à grand angle alors que la déter-
mination directe donne le nombre de centres qui
dévieraient une certaine fraction du faisceau d'un
angle supérieur à $,. Dans le cas de couches amorphes
il existe une proportionnalité stricte entre ces événe-
ments, bien représentée par les théories de Keil et
CS-1 22 A. GUIVARC'H
ET H.
L'HARIDONFIG. 3. - Nombre de centres diffuseurs en fonction de la dose de Zn implantée à 77
K.
~ b . c e n t r e s l i diffuseurs-
de Meyer (annexe 1). Cette proportionnalité n'existe plus lorsqu'il s'agit d'imperfections cristallines de natures diverses dont l'influence exacte sur l'ion cana- lisée n'est pas connue.
Afin de mettre directement en évidence qu'une zone désordonnée n'était pas assimilable à une couche amorphe, nous avons mesuré le rendement de la rétro- diffusion en fonction de l'angle d'incidence $ derrière l'une et l'autre, pour deux combinaisons couche endommagée-couche amorphe donnant une même décanalisation totale quand *
=O. La forme des courbes obtenues est différente et un effet de rétrécis- sement dont l'interprétation est délicate, apparaît nettement derrière la couche implantée (Fig. 4).
Nombre de centres déterminés par:
, G a A S non implanté
A -
implanté+
Mesure décanalisation totaleO Intégration du pic (diffusion plurale Keil )
w
1013 2do13 a0I3 4013
Dose Zr1/~,,,2
recouvert Ge
Nb. coups
13" 1 - 1,3'
', .-
,'FIG.
4. - Balayage angulaire autour de l'axe<
111>
sur des échantillons implantés et recouverts de Ge amorphe donnantla même décanalisation en direction alignée
(v
=0).
Brown I l l ] considère qu'il existe deux types de décanalisation illustrés sur la figure 5 :
a) La décanalisation par un atome déplacé. Une déflection d'un angle supérieur à $, est alors la consé- quence d'une série de diffusions indépendantes qui peuvent être traitées par les théories de diffusion plu- rale de Keil et de Meyer.
b) La décanalisation due à un déplacement collec- tif et régulier de plusieurs atomes qui crée une dis-
FIG.
5. - Processus de décanalisation.a) par diffusion sur un atome déplacé,
b) par un déplacement collectif de plusieurs atomes.
torsion dans le potentiel moyen du canal. Ce type de défaut ne semble pas devoir donner de rétrodiffusion directe.
Une apparition de ces effets collectifs précédant un déplacement très net des atomes pourrait expli- quer l'absence de pic sur le spectre SI (Fig. 1). Actuel- lement nous ne savons pas calculer ce deuxième type de décanalisation et les profils obtenus sont d'autant plus exacts que, pour une même hauteur de pic, la décanalisation totale est faible.
Le traitement de Ziegler, sans justification physique nous a cependant permis de déterminer la distribution des défauts de façon un peu plus précise. Comme on considère généralement que la perte d'énergie par choc nucléaire en fonction de la profondeur donne une bonne représentation du profil de défauts, nous avons comparé nos résultats aux calculs de Gib- bons [12] et de Sigmund et Sanders [13]. Les profils obtenus, en utilisant les tables de Gibbons et John- son 1141 pour les parcours projetés, sont reportés sur la figure 6. La méthode approchée de Gibbons ne permet d'obtenir que le profil d'énergie déposée direc-
Nombre de centres
t
diffuseurs/crn3 , GIBBONS4,1oZ2
-
L.SS &SIGMUNO-SANDERS- - -
Profil de défauts experimentalFIG.
6 . - Distribution en profondeur des défauts d'implan- tation. Les courbes théoriques ont été normalisées de façon à donner le même nombre total de défauts que la courbe expé-rimentale (surface égale sous les courbes).
ÉTUDE
DES
DÉFAUTSCRÉÉS PAR IMPLANTATION DE Zn+ DANS GaAs
C5-123tement par l'ion primaire, qui diffère notablement du
profil expérimental. Par contre, la théorie plus géné- rale de Sigmund et Sanders, qui donne l'énergie déposée dans chaque élément de volume par le pro- jectile et les atomes déplacés, fournit une estimation correcte de la distribution de défauts. Ce résultat met en évidence l'importance de la cascade dans le processus de création de défauts au cours d'implan- tations d'ions relativement lourds de haute énergie.
5. Conclusion.
-Les expériences de rétrodiffu- sion de He' canalisées nous ont permis d'obtenir une estimation correcte de la distribution de défauts créés par l'implantation de Zn' de 1 MeV dans GaAs et de vérifier la théorie de Sigmund-Sanders. Cepen- dant il ne nous a pas été possible de trouver un modèle théorique représentant correctement l'ensemble du phénomène de décanalisation par les défauts.
ANNEXE I
Décanalisation par des couches amorphes
:vérifi- cation des théories de Keil et Meyer. - 11 est inté- ressant d'étudier par canalisation un problème plus simple que celui rencontré dans l'analyse des défauts.
L'arséniure de gallium étant assimilable au germa- nium au point de vue de la diffusion et de la canali- sation (même potentiel de chaîne), nous avons étudié la décanalisation introduite par des couches minces de Ge, déposées sur un substrat monocristallin de Ge orienté < 11 1 >. Ces dépôts constituent des lames de diffusion contenant un nombre connu de centres.
La distribution angulaire du faisceau d'analyse est élargie par une série de diffusions à petits angles lors de la traversée de la couche. Le rendement II, der- rière le dépôt, donne la proportion des particules qui ne satisfont ulus les conditions de canalisation en arrivant sur le cristal. En supposant que le rendement de la rétrodiffusion sur un monocristal est nul pour une incidence inférieure à $, et égal à 1 partout ailleurs (approximation du puits carré), X, est égal à la proportion des ions déviés d'un angle supérieur à $,. Les travaux de Rimini, Ligujjo et Mayer [15], [16]
ont montré que cette approximation qui ne tient pas compte de la forme exacte du canal donnant pour chaque incidence la probabilité moyenne de décana- lisation, donnait de très bons résultats.
La variation du taux de décanalisation en fonction de l'épaisseur des couches, est représentée sur la figure 7 pour des He' de 0,5 ; 1 ; 1,5 et 2 MeV.
Les travaux théoriques de Keil et Meyer permettent d'avoir les distributions angulaires des particules après traversée d'une couche mince, sous forme de courbes universelles tracées en fonction de deux paramètres sans dimension : l'épaisseur réduite et l'angle réduit.
L'épaisseur réduite m est proportionnelle au nombre de centres diffuseurs par unité de surface. Physique-
ment m est la valeur moyenne du nombre de colli- sions d'une particule avec les atomes cible pour une section efficace égale à na2.
a : rayon de l'atome de Thomas-Fermi.
Z,, Z2 : numéro atomique de l'ion incident et des atomes cible.
: tir: OS
MNj
/L'
. 'y' Y 1 M e VO ~ e + 1,5 M e V Sur Ge
~ e + 2 M e V
-
Thgorie de Keil-- -
deO.
Meyer7
2000 4000 6600. 8000
Epaisseur des dépots ( A )
FIG. 7. -
Décanalisation
desHe+ en fonction
del'épaisseur des dépôts de Ge
et des couches deGaAs amorphisées.
L'angle réduit a l'expression suivante
:E : énergie de la particule, e
:charge de l'électron.
C'est la grandeur relative de l'angle de diffusion 0 par rapport à l'angle d'écran qui décrit la protection du champ du noyau atomique par l'enveloppe d'élec- trons. (Keil exprime ses résultats en fonction d'un angle réduit 0,
=2 e.)
Les distributions angulaires calculées par Keil et Meyer pour m < 20, diffèrent notablement aux faibles angles réduits (où seul le calcul de Meyer est réa- liste [16]) mais se rapprochent progressivement l'une de l'autre quand l'angle réduit augmente [15]. C'est le cas de nos expériences et nous voyons sur la figure 7 que les deux courbes de décanalisation obtenues, c'est-à-dire la proportion d'ions déviés d'un angle supérieur à $, en fonction de l'épaisseur des couches traversées, sont presque confondues pour les ions He' de 1,5 MeV. Elles sont de plus en bon accord avec les valeurs expérimentales.
L'approximation des puits carrés sur le rendement
de la rétrodiffusion et les théories de diffusion plu-
rale semblent donc parfaitement adaptées aux mesures
C5-124 A. GUIVARC'H ET H. L'HARIDON
de décanalisation dans les couches de GaAs endom- De plus, d'après les travaux de Eisen et Welch [17], magées par implantation. Pour les He' de 1,5 MeV le désordre total peut être déterminé directement en sur GaAs < 111 >, l'angle critique $, obtenu expé- reliant le taux de particules décanalisées dans une rimentalement est égal à 0,660 et l'angle réduit cor- couche endommagée à la densité de centres de diffu- respondant $ à 1,3. sion qui produiraient la même décanalisation.
Bibliographie
[l] FAVENNEC, P. N.,
11' Znt. Conf. on Ion Implantation in Semiconductors(Berlin
:Springer-Verlag) (1971) p. 174- 181.
121 GUIVARC'H, A., FAVENNEC, P.
N.and PELOUS, G.,
Proc.of Znt. Conf. on Radiation Damage and Defects in Semiconductors.
