Etude de la recombinaison des porteurs de charges sur les défauts de réseau dans le germanium

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Submitted on 1 Jan 1963

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Etude de la recombinaison des porteurs de charges sur les défauts de réseau dans le germanium

Léone Gouskov, Françoise Lubat

To cite this version:

Léone Gouskov, Françoise Lubat. Etude de la recombinaison des porteurs de charges sur les défauts de réseau dans le germanium. Journal de Physique, 1963, 24 (4), pp.279-283.

�10.1051/jphys:01963002404027900�. �jpa-00205464�

279.

ÉTUDE DE LA RECOMBINAISON DES PORTEURS DE CHARGES SUR LES DÉFAUTS DE RÉSEAU DANS LE GERMANIUM

Par LÉONE GOUSKOV

Laboratoire d’Électrostatique ^{et de} Physique ^du Métal, ^Grenoble et FRANÇOISE ^LUBAT

Département ^P. C. M. du Centre National d’Études des Télécommunications.

Résumé. 2014 Cette note a pour but de décrire quelques ^résultats expérimentaux permettant ^de préciser l’effet des défauts de réseau tels que les dislocations ^ou les vacances introduites par trai- tement thermique ^sur la recombinaison des porteurs ^de charge ^{dans le} germanium. Les résultats

présentent ^{un intérêt en vue de la} conception ^{de lasers à} semiconducteur fonctionnant à basse

température ^{afin de diminuer les fuites} par court-circuit de la transition stimulée.

Abstract. ²⁰¹⁴ This paper ^describes experimental ^results determining precisely the effect of lattice

defects, ^{such as} dislocations or thermal treatment vacancies upon charge ^carrier recombination in germanium. ^{The results are} of interest3 in connection with low temperature semiconductor lasers, ^{to decrease} leakages by ^short circuit of the stimulated transition.

1. Introduction. ^- Le but de ce travail est d’examiner le rôle

joué

^{dans la} recombinaison des porteurs ^de charge par les défauts du réseau tels que dislocations ^et accepteurs

thermiques.

^Un

tel examen s’est

imposé lorsque,

^{au cours de l’étude}

de la recombinaison des porteurs ^de

charge

^{sur les}

atomes de nickel dans le

germanium [1],

^{il s’est}

avéré difficile voire

impossible

^{d’obtenir l’une des} quatre ^{sections efficaces de} capture

qui permettait

de définir les

propriétés

^{du centre de} recombinaison à double niveau introduit par le

nickel,

^{à savoir}

la section efficace de capture ^{des trous sur} le pre- mier niveau du nickel

6p.

^Cet échec, ^{dû au rôle}

prépondérant joué

^{dans la} recombinaison, soit par les dislocations existant dans les cristaux pour ^les-

quels

^{le nickel est} introduit dans la

phase liquide

lors du

tirage,

soit par les accepteurs

thermiques lorsque

^{le nickel est diffusé dans la}

phase

solide,

nous a conduit à

préciser

^{dans une certaine mesure}

le

rôle joué

^{dans la} recombinaison soit par les dislo-

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ^TOME 24, ^AVRIL 1963,

cations,

^soit par les accepteurs

thermiques.

^{Il est}

utile de

préciser

que :

1° La densité du nickel est obtenue en ce

qui

concerne les cristaux

dopés

^{lors du}

tirage vertical,

à

partir

^de la valeur du coefficient du

ségrégation

du Nickel dans le

germanium ;

^{en ce}

qui

^concerne

les cristaux diffusés à

partir

de la courbe donnant la solubilité limite du nickel ^en fonction de la tempé-

rature

[2].

2° Les densités

superficielles

^de dislocations sont obtenues _par comptage

après

marquage par

attaque

chimique.

3° La durée de vie des porteurs ^de charge ^est

mesurée par la méthode de décroissance de la

photo-

conductivité _pour un domaine de température

s’étendant

depuis

^{celle de l’azote}

liquide jusqu’à

150 °C environ.

D’autre part, ^l’essai de détermination de la sec-

tion efficace de capture ^{des trous sur le}

premier

niveau du nickel nécessitant essentiellement l’étude

TABLEAU 1

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01963002404027900

280

d’échantillons de type p, nous avons

précisé

^le

rôle tant des dislocations _{que des} accepteurs ^ther-

miques

^{sur des} échantillons de

germanium

^{de ce} type.

II. Rôle des dislocations. ^- Les courbes de la

figure

1 relatives à différents échantillons dont les

propriétés

^sont

précisées

^{dans le tableau 1}

(échan-

tillons (1) ^à (5)) ^nous permettent ^{de constater} que, à la température de l’azote

liquide,

la durée de vie des porteurs ^est contrôlée par les dislocations pré-

existantes dans le cristal lors du tirage.

La

comparaison

des résultats obtenus à partir

des échantillons (1) ^et (2) ^montre que la durée de vie des porteurs, ^de 5,5 as, mesurée à la tempéra-

ture de l’azote

liquide,

^{est la même} pour ^{une même}

FIG. 1.

densité de dislocations et n’a _{pas été} modifiée _par l’introduction du nickel. On fait la même consta- tation en comparant ^{les durées} de vie des porteurs

à basse température ^{obtenues sur les} échantillons

(4) ^et (5). La durée de vie commune de 1,5 ps ^est

indépendante

^{de la} densité d’atomes de nickel

introduite, introduction

qui,

^{à une} température

supérieure

^{à la} température ambiante, ^contribue

à la chute de la durée de vie

proportionnellement

à la densité de nickel. En ce qui ^concerne l’échantil- lon (3) ^{il semble} que la densité de nickel introduite, apporte ^sa contribution à la recombinaison en

réduisant la durée de vie de 5,5 ^{à 3} ys par rap-

port ^à l’échantillon (1)

dépourvu

^{de nickel et} pos- sédant la même densité de dislocations.

On aperçoit donc l’intérêt

qu’il

y ^a à réduire la densité de dislocations ^au maximum afin d’obtenir à la température ^{de l’azote}

liquide

^une durée de vie

des porteurs aussi élevée _que

possible

^{en l’absence}

de centre de recombinaison afin de

pouvoir

^contrô-

ler cette durée de vie par le ^centre de recombinaison introduit.

Nous avons donc

appliqué

^au tirage ^{des cristaux}

de

germanium

^la méthode de Dash

[3]

permettant

d’éliminer les

dislo(-ations,

^et nous avons obtenu des cristaux

rigoureusement dépourvus

^{de dislo-}

cations que l’on sache marquer.

Le résultat ^en est donné sur la courbe 6 de la

figure

^{2 et} la durée de vie des porteurs ^{à la} tempé- .

rature de l’azote

liquide

^est de 42 ps, maximum que ^nous n’avons

jamais dépassé.

^_

Plus loin, nous verrons à quelle ^{nature de défaut}

on peut ^{attribuer ce}

plafond

^{obtenu en l’absence}

totale de dislocations que l’on sache marquer par

attaque

chimique

^et

quels

pourraient ^{être les}

moyens ^{de le}

dépasser.

281

III. Rôle des accepteurs thermiques. ^-

Hélas,

l’introduction de nickel rend

impossible, malgré l’emploi

^{de la} méthode de Dash, l’obtention de cristaux

rigoureusement dépourvus

^de dislocations.

Nous avons donc cherché à introduire ce nickel que ^nous voulions étudier en tant que ^centre de recombinaison et dont nous voulions déterminer la section efficaces de capture ^{des trous} par le 1er ni-

-

Veau, par ^une méthode de diffusion. Des résultats

en sont donnés dans la figure ^{2. Nous constatons}

en comparant les courbes 7 et 8 _que, si à tempéra-

ture supérieure ^{à la} température ambiante la durée de vie des porteurs ^{est contrôlée} par le nickel intro- duit (durée de vie inversement proportionnelle ^{à la}

densité de nickel), ^{il n’en est} pas de même à basse

température ^{où la durée de vie est} contrôlée, ^non

.-/ r

FIG. 2.

par le nickel, mais par des

impuretés

introduites

au cours du traitement

thermique

nécessaire à toute diffusion et dites ^« accepteurs

thermiques

^».

La

comparaison

des courbes 6 et 7 ^nous apporte

en outre un élément d’information

important :

en effet, ^{si on se}

rappelle

que la courbe 6 représente

la durée de vie des porteurs ^{dans un} échantillon de

germanium

^de type p, ayant ^une résistivité de l’ordre de

quelques ohm-cm,

^et

rigoureusement dépourvu

^de

dislocations,

^et que la courbe 7

représente

^{de même la} durée de vie des porteurs

dans un échantillon

identique,

^mais ayant ^{subi un}

traitement

thermique,

le fait que ^{ces deux} courbes soient semblables et se déduisent sensiblement l’une de l’autre par ^une simple translation parallèle

à l’axe des ordonnées (sur lequel ^est porté ^le loga-

rithme de la durée de vie), ^nous permet ^de pré-

tendre que ^ce qui limite la durée de vie en l’absence

rigoureuse

^de

dislocation,

^{est de même} nature, ^ou

du moins se comporte de la même façon que les

accepteurs

thermiques

^et

pourraient

^{être ceux}

introduits lors du

tirage, lorsque

^{le cristal reste} pendant

quelques

^{heures à une} température ^variant progressivement ^{de la} température de fusion à la

température ^ambiante.

Une méthode pouvait ^donc paraître ^séduisante

pour

dépasser

^ce plafond que constitue la durée de vie des porteurs ^d’un cristal de

germanium

^de type p rigoureusement ^sans dislocation. Elle consiste à tirer ce cristal, toujours suivant la méthode de Dash pour éliminer les dislocations,

mais à refroidir énergiquement ^la tige porte germe pour permettre ^{à ce} cristal de se refroidir le plus rapidement

possible

^et donc éliminer les accep- teurs thermiques introduits au cours du traitement

thermique ^{successif et inhérent au} procédé ^{de cris-}

Fm. 3.

283

tallogénèse employé.

^{Mais les}

quelques

^essais que

nous avons faits ^{ne nous} ont pas permis ^d’obtenir

des résultats meilleurs que ^ceux

précédemment

décrits.

IV. Étude quantitative. (Détermination ^{de la}

position

^{du niveau}

d’énergie

^{du centre de recom-}

binaison lié au défaut de réseau).

Dans le but de

préciser

^de quelle façon ^se pro- duit la recombinaison sur les dislocations, ^nous

avons groupé les résultats expérimentaux ^obtenus

sur divers échantillons de type p, de ^concentra- tions ^en dislocations différentes et

n’ayant

^subi

aucun dopage ^{ou diffusion.}

Nous allons _essayer, ^en admettant _{que les} dislo- cations introduisent un niveau accepteur ^d’éner-

gie

pouvant exister dans les états de

charge

0 et ^- e, de localiser ce niveau accepteur ^{dans la}

bande interdite.

En admettant ^un processus de recombinaison du type

Shockley-Read

^{à basse} température ^et

pour ^un échantillon de type p la durée de vie est

égale

^à Tno.

où 1V est la densité en volume d’accepteurs ^intro-

duits _{par les} dislocations et cô ^{est la}

probabilité

moyenne de capture ^{d’un électron} par ^{un centre} de recombinaison, par unité de temps.

Quand

^la température ^{s’élève et dans le cas d’une}

injection

^de porteurs

faibles,

^{cette relation devient :}

,,/ 1 ri 1 .

Pl/2 ^et n1/2 étant les densités d’électrons et de trous dans les bandes

quand

le niveau de Fermi est confondu avec

Selon _{que le} niveau se

place

^{au-dessus ou au-}

dessous du niveau de Fermi, l’un des deux termes de la somme donnant

l’expression

^{de T}

l’emporte

sur l’autre. La

probabilité

^de capture ^d’un trou par

un centre

chargé négativement

^étant

grande,

^le

terme est

négligeable

^devant

1 ICI’ 0

^{et on} peut

supposer que :

A 1 1 1 1

~ La courbe T ^- en fonction de 1 IT ^donne

donc les variations de Pl 2 ^et permet de déterminer E~, - L’étude réalisée sur les 4 échantillons de

germanium

^de type p dont les résultats ^sont

groupés ^{sur le}

graphique

^{n° 3 a}

permis

^{de situer}

un niveau accepteur ^des dislocations _{tel que :} Nous avons pu obtenir une preuve de ^ce que, dans

l’expression

^{de la durée de} vie, ^{il est}

possible

de négliger ^{le terme de la somme}

dépendant

^de

Ci.

^En effet écrivons

l’expression

^{donnant la durée}

de vie = dans le cas d’une

injection

^de porteurs ^non

négligeable

AI , .". , . W’ 17..

8/z représente ^{le nombre} d’électrons

injectés

par effet

photoélectrique.

A basse température ^{et si an} n’est pas

petit

devant

N,

^{le 2e terme de la ~omme}

exprimant

^T

s’écrit

- 1. - - ^-

no ^et nl/2 étant ^très faibles à basse température

et IV, étant peu différent de N, ^{ce terme s’écrit :}

il

dépend

^de

l’injection.

Pour le 1er terme de

l’expression

^{de r, une telle}

simplification

^est

impossible

^car Pl/2 ^et 8n sont

toujours négligeables

^devant Po ^{et ce} terme ne

dépend

pas de

l’injection.

Nous avons vérifié _{que, à} basse température, ^la

durée de vie est

indépendante

^de

l’injection ;

^{il en}

résulte que le niveau déterminé _pour les disloca- tions ^se situe bien dans la moitié inférieure de la bande interdite.

V. Conclusions et intérêt des résultats précé-

dents. ^- Les résultats

qualitatifs précédents

^nous

indiquent

^{l’intérêt} relativement minime à

tempé-

rature ordinaire

qui

réside dans le choix de cris- taux de

germanium rigoureusement parfaits

^en

vue de la mise au

point

^de

dispositifs

^{utilisant un}

effet de porteurs minoritaires.

Par contre le choix de cristaux

rigoureusement parfaits

présente

plus

^{d’intérêt aux basses} tempé-

ratures et réduit considérablement les fuites par recombinaison des

paires

électrons-trous ^« pom-

°

pées

^», nécessaires au fonctionnement de lasers à

s emiconducteurs.

Ce travail a été effectué au

département

^«

Phy- sique,

Chimie,

Métallurgie

^{» du Centre National} d’Études des Télécommunications. Nous remer-

cions bien vivement M.

Franke,

^{Chef du} dépar-

tement et M. les

ingénieurs

^{Bernard et}

Menoret pour l’aide ^et les conseils suivis

qu’ils

nous ont apportés.

Manuscrit reçu le ²⁸ novembre 1962.

BIBLIOGRAPHE

[1] ^BERNARD (M.), ^MENORET (M.) et MENACHE (M.), ^Re-

combinaison des porteurs ^de charge ^{sur des atomes de}

nickel dans le germanium : ^Emission simultanée de

plusieurs phonons. Proceedings ^{of the} International Conference on Semiconductor Physics, Prague, ^1960.

[2] ^{WERTHEIM (G.} K.). Phys. Rev., 1959. 37. 115.

[3] ^{DASH (W. C.). Growth of silicon} crystals free from dis- location. J. Applied Physics, 1959, ^{30. 459.}