UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

INSTITUTO DE FSICA

MODIFICAO DE CARACTERSTICAS ELTRICAS DE ESTRUTURAS

SEMICONDUTORAS III-V ATRAVS DE BOMBARDEAMENTO COM ONS*

Giovani Cheuiche Pesenti

Dissertao elaborada sob a

orientao do Dr. Henri Ivanov

Boudinov, em preenchimento

parcial para a obteno do ttulo

de Mestre em Fsica

Porto Alegre

2004

* Trabalho parcialmente financiado pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientfico e Tecnolgico (CNPq).

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3

Agradecimentos

Gostaria de tentar agradecer aqui todos aqueles que me ajudaram durante a

realizao deste trabalho:

A toda minha famlia, aos meus pais, irms, cunhado e a minha namorada pelo

apoio e companhia;

A Ritalina, indispensvel no tratamento do meu DDA-H;

Ao pessoal do laboratrio de microeletrnica, e aos tcnicos do Instituto,

professores, e funcionrios;

Ao Iuri Danilov pela boa vontade e por contribuir com parte das amostras estudadas

neste trabalho;

Ao colega de laboratrio Artur (Cyborg), pela enorme pacincia, dicas e solues de

muitas dvidas;

E principalmente ao meu orientador, Prof. Henri Boudinov, pela tima orientao,

pacincia, compreenso.

4

5

RESUMO

A isolao eltrica de estruturas semicondutoras de InP e GaAs atravs de

bombardeamento com ons foi estudada.

Amostras de InP semi-isolante e tipo-p foram implantadas com ons P+ para

produzir excesso de tomos de fsforo na ordem de 0,1%. Recozimento em ambiente de

argnio no intervalo de temperatura de 400C a 600C e tempo de 30s foram feitos em

sistema de tratamento trmico rpido. Medidas de efeito Hall com temperatura varivel

(12-300K) foram usadas para a caracterizao eltrica. Uma alta concentrao de

portadores livres negativos foi observada. A existncia destes eltrons foi atribuda a

criao de anti-stios PIn com energia acima do mnimo da banda de conduo.

A dependncia da resistncia de folha de camadas tipo-p de GaAs com a dose

irradiada de ons de He+ foi investigada. A dose de limiar (Dth) para isolao eltrica

depende da energia dos ons implantados e da concentrao inicial da camada condutiva. A

estabilidade trmica da isolao aumenta com o aumento da dose de irradiao e depende

da razo entre a concentrao de armadilhas criadas durante o bombardeamento e a

concentrao inicial de portadores livres. A isolao observada foi atribuda principalmente

a introduo de anti-stios AsGa e defeitos relacionados. A mxima estabilidade trmica

para camadas tipo-p em GaAs foi de 550C, para doses maiores do que 10Dth.

Os resultados deste trabalho podem ser usados para isolao de diferentes

dispositivos discretos e integrados de InP e GaAs.

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7

ABSTRACT

Electrical isolation of InP and GaAs structures by ion bombardment was studied.

Semi-insulating and p-type InP were implanted with P+ ions to produce an excess of

phosphorous atoms in the order of 0.1 at. %. Subsequent annealing in Ar ambient in the

temperature interval 400 OC 600 OC were performed for 30 s in rapid thermal annealing

system. Room temperature and variable temperature (12-300 K) Hall-effect measurements

have been used for electrical characterization. A large amount of negative free carriers have

been observed after the thermal treatments. These electrons are contributed to the creation

of PIn anti-site with energy level above the minimum of the conduction band.

The dose dependence of sheet resistance of p-type -doped GaAs structures

irradiated by He+ ions was investigated. It was found that the threshold dose (Dth) for

electrical isolation of the structures was determined by the energy of ions and by the

concentration of initial doping. The thermal stability of isolation rises as the irradiation

dose increases and is dependent on the ratio of trap centers concentration, created during

the bombardment, to the initial concentration of free carriers. The isolation was attributed

mainly to the introduction of AsGa anti-site related defects. The maximum thermal stability

for p-type conductive layers in GaAs was of 550 0C for doses higher than 10 Dth.

The results of this work can be used for isolation of different InP and GaAs discrete

and integrated devices.

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SUMRIO

Captulo 1 Introduo..................................................................................................... 10 Captulo 2 Dispositivos semicondutores III-V............................................................... 14

2.1 Semicondutores compostos III-V ......................................................................... 14 2.2 Heterojunes ....................................................................................................... 15

2.2.1 Transistor de alta mobilidade de eltrons (HEMT).......................................... 16 2.2.2 Transistor bipolar de heterojuno (HBT)........................................................ 18

2.3 Optoeletrnica ...................................................................................................... 20 2.3.1 LED .................................................................................................................. 21 2.3.2 Laser de semicondutor...................................................................................... 23 2.3.3 VCSEL - Vertical Cavity Surface Emitting Lasers .......................................... 26 2.3.4 Laser de poo quntico ..................................................................................... 28

Captulo 3 Isolao de semicondutores III-V por feixe de ons ..................................... 31 Captulo 4 Mtodos e tcnicas experimentais ................................................................ 45

4.1 Epitaxia................................................................................................................. 45 4.2. Implantao inica................................................................................................ 47

4.2.1 Isolao de camadas condutivas in-situ ........................................................ 51 4.3 Recozimento trmico rpido (RTA)..................................................................... 53 4.4 Mtodo de Van der Pauw para medidas de resistncia de folha .......................... 55 4.5 Efeito Hall ............................................................................................................ 57 4.6 Medidas de efeito Hall com temperatura varivel................................................ 60

Captulo 5 Estudo da isolao de InP irradiado com ons.............................................. 63 5.1 Introduo............................................................................................................. 63 5.2 Preparao das amostras....................................................................................... 64 5.3 Resultados e discusso ......................................................................................... 65

Captulo 6 Isolao de camadas tipo-p em GaAs com feixe de He+ ........................... 74 6.1 Introduo............................................................................................................. 74 6.2 Preparao das amostras....................................................................................... 74 6.3 Caracterizao das amostras crescidas ................................................................. 76 6.4 Isolao................................................................................................................. 78 6.5 Estabilidade trmica ............................................................................................. 84 6.6 Medidas de efeito Hall com temperatura varivel em amostras isoladas............. 87

Captulo 7 Concluses.................................................................................................... 90 Referncias ........................................................................................................................... 93

10

Captulo 1 Introduo

Os dispositivos de microeletrnica esto presentes em praticamente todos os bens

produzidos pela indstria eletro-eletrnica, constituindo a base fsica de um dos setores

econmicos mais dinmicos do mundo e desempenhando um papel crtico no

desenvolvimento de reas estratgicas para a economia do pas. A insuficincia de

investimentos nacionais em pesquisa e desenvolvimento (P&D) tem impedido o pas de

participar ativamente do processo de inovao tecnolgica, que resultou na contnua

evoluo da microeletrnica. Desta forma, a incorporao de novas tecnologias aos

produtos brasileiros tem ocorrido pela importao massiva de componentes semicondutores

(dispositivos discretos e circuitos integrados), contribuindo para o aumento do dficit da

balana comercial. No ano de 2001, por exemplo, os produtos eletrnicos importados

custaram ao pas 12,5 bilhes de dlares, podendo este custo subir para 40 bilhes de

dlares em 2010[1], devido ao aumento da demanda e ao contnuo lanamento de novos

produtos. Apesar da magnitude dos dados citados e da importncia tecnolgica deste setor

estratgico, o pas ainda no possui conhecimentos consolidados na rea de processamento

fsico de semicondutores (atividades de desenvolvimento e produo de dispositivos

eletrnicos em sala limpa), que constitui a base para a implantao da indstria de

microeletrnica. O resultado desta carncia uma falta de competitividade do setor

produtivo, que sofre com a concorrncia dos produtos estrangeiros de alto valor agregado,

especialmente em reas como telecomunicaes.

O Silcio hoje o semicondutor mais utilizado para microeletrnica. Isto ocorre

basicamente porque este material apresenta um xido nativo, o SiO2, que propicia a criao

de interfaces semicondutor / isolante de altssima qualidade (com uma concentrao muito

11

baixa de defeitos), o que essencial do ponto de vista tecnolgico para a confeco de

circuitos integrados (a tecnologia mais utilizada atualmente para a construo de chips, a

tecnologia CMOS, depende crucialmente deste fator). No entanto, o silcio apresenta uma

desvantagem crtica em relao a outros semicondutores no que diz respeito emisso de

luz: sua estrutura de bandas cria um gap indireto, o que implica no fato de que a

recombinao de portadores livres com emisso de ftons, neste caso, envolve tambm a

participao de fnons (quantum de vibrao da rede). Isto torna este ltimo processo bem

menos efetivo do que o que observado para semicondutores de gap direto, diminuindo a

aplicabilidade do silcio para um campo que, cada vez mais, tem ganhado destaque: a

optoeletrnica. Este novo ramo da tecnologia da informao caracterizado pelo fato de

alternar ftons / eltrons como os portadores de informao, e est cada vez mais presente

em nosso cotidiano (quem, hoje em dia, no ouviu falar de sistemas que se comunicam

atravs de fibras ticas, por exemplo). Desta forma, uma srie de semicondutores com gap

direto tm sido experimentados (principalmente semicondutores compostos III-V e

semicondutores ternrios). Dentre estes, destaca-se o arseneto de glio (GaAs) e o fosfeto

de ndio (InP). Estes materiais, alm do gap direto, possuem algumas outras vantagens

sobre o Si, como por exemplo, os altos valores observados para a mobilidade dos

portadores livres (o que os torna propcios para dispositivos de muito alta freqncia). No

entanto, o GaAs e o InP no possuem xidos nativos. Mesmo assim, estes materiais j vm

sendo utilizados em escala industrial, para a confeco de circuitos integrados (utilizando

uma tecnologia diferente da CMOS) e de dispositivos discretos para uso principalmente em

optoeletrnica.

Neste trabalho, iremos abordar um dos mais importantes passos tecnolgicos

empregados na chamada tecnologia dos semicondutores III-V: a isolao por implantao

12

inica, ou simplesmente, implantao de isolao. A implantao inica um processo j

empregado na confeco de dispositivos microeletrnicos e circuitos integrados h mais de

vinte anos. Ela permite a introduo precisa (criando perfis bem controlados) e facilmente

reprodutvel de impurezas na rede do semicondutor e tambm mantm a planaridade das

amostras. Sua principal aplicao a dopagem controlada dos semicondutores, pela

introduo de perfis precisos de impurezas dopantes. No entanto, para GaAs, InP e outros

semicondutores que podem ser considerados semi-isolantes, h ainda uma outra aplicao

de destaque para esta tcnica: a implantao de ons cria uma srie de defeitos na rede de

um semicondutor, e estes defeitos podem alterar significativamente as propriedades

eltricas do material. Assim, para os semicondutores mencionados acima, o simples e

estabelecido processo de implantao inica capaz de tornar altamente resistivas camadas

de semicondutor inicialmente condutivas. A este processo d-se o nome implantao de

isolao. A implantao de isolao j usada como etapa tecnolgica para materiais como

o GaAs, muito embora, o processo fsico envolvido na formao desta isolao ainda no

tenha sido completamente entendido e caracterizado.

O objetivo desta dissertao somar aos diversos trabalhos anteriores encontrados

na literatura, dados novos e interpretaes que possam levar a uma melhor compreenso

desta isolao, e conseqentemente, otimizao da correspondente etapa tecnolgica.

Sero abordadas as modificaes de estruturas de InP e GaAs como funo das doses

implantadas e tratamentos trmicos conduzidos, com o objetivo de compreender seus

diferentes comportamentos eletrnicos mediante defeitos criados em suas redes cristalinas.

A dissertao est organizada da seguinte maneira: o captulo 2 apresenta alguns

dispositivos especficos, fabricados de semicondutores III-V. O captulo 3 faz uma reviso

de alguns trabalhos que j foram realizados na rea de modificao de estruturas III-V via

13

implantao e recozimentos trmicos, tanto de GaAs como de InP, salientando algumas

caractersticas importantes destas modificaes. O captulo 4 apresenta as metodologias e

as tcnicas experimentais utilizadas no trabalho, tanto para os processos de implantao e

recozimentos trmicos, como para as medidas eltricas utilizadas. O captulo 5 trata da

modificao eltrica de InP, que foi irradiado com ons para a criao de defeitos em sua

rede cristalina, e aps tratamentos trmicos foram feitas medidas de Efeito Hall em

temperatura ambiente e com temperatura varivel para o estudo dos mecanismos de

transporte de portadores. Os resultados apresentam comportamento diferente comparado s

amostras de GaAs. No capitulo 6, amostras de GaAs com camada tipo-p foram

submetidas a implantao inica para estudo dos mecanismos responsveis pela sua

isolao. Caractersticas especficas de isolao de camadas delta foram observadas. O

captulo 7 apresenta as principais concluses obtidas neste trabalho.

14

Captulo 2 Dispositivos semicondutores III-V

2.1 Semicondutores compostos III-V

A estrutura de um composto binrio III-V como o GaAs e o InP constituda

basicamente por uma rede cbica de face centrada (fcc) formada por tomos do grupo III

(Ga ou In) imersa em outra fcc formada por tomos do grupo V (As ou P), deslocada da

primeira de da diagonal do cubo, como mostrado na figura 2.1.

Pela natureza polar dos cristais, nas ligas ternrias e quaternrias destes compostos

existe apenas a mistura dos elementos III numa sub-rede e dos elementos V na outra sub-

rede. Uma liga de InGaAsP, por exemplo, tem uma sub-rede constituda por mistura de In e

Ga e outra por mistura de As e P.

Fig. 2.1. Estrutura cristalina do GaAs.

15

O parmetro de rede do GaAs em temperatura ambiente 5,65325 com gap direto

de 1,424eV, j o do InP 5,8687 com gap tambm direto de 1,344eV [2], que podem

sofrer variaes desprezveis por defeitos ou desordem na rede.

A figura 2.2 mostra uma relao entre o parmetro de rede e a energia da banda

proibida de compostos III-V [3].

Fig. 2.2. Energia de banda proibida e parmetro de rede para compostos III-V[3].

A estrutura de bandas de um semicondutor obtida atravs da soluo da equao

de Schroedinger, que somado com a massa efetiva de eltrons e lacunas so parmetros

essenciais na fsica de semicondutores.

2.2 Heterojunes

Heterojunes so formadas quando dois materiais diferentes so unidos em uma

juno, usando uma tcnica de crescimento de materiais[5].

16

O transistor bipolar de heterojuno (HBT) e o transistor de alta mobilidade de

eltrons (HEMT) so exemplos das vantagens que as heterojunes oferecem.[4]

2.2.1 Transistor de alta mobilidade de eltrons (HEMT)

Em GaAs, o espalhamento de impurezas ionizadas reduz a mobilidade dos eltrons

de um limite terico perto de 9000cm2/Vs para menos de 2000-3000cm2/Vs em temperatura

ambiente. A idia de modulao da dopagem proposta da Bell Laboratories foi separar os

dopantes dos eltrons no canal, para melhorar a sua mobilidade, diminuindo o

espalhamento coulombiano[6].

Em 1980, Miura el al. [7] demonstraram o primeiro transistor de alta mobilidade de

eltrons, mostrando um surpreendente aumento da corrente e da transcondutncia (razo

entre a corrente no dreno e a tenso aplicada entre a porta e o substrato) do dispositivo em

transistores de canal longo, onde a mobilidade dos eltrons tem um papel dominante em

temperaturas criognicas.

A figura 2.3 faz uma comparao entre dois transistores de heterojuno que tem

atrado muito interesse em pesquisas, nomeados de transistor de alta mobilidade de eltrons

(HEMT) e transistor de alta mobilidade de eltrons pseudomrfico (P-HEMT).

No transistor MESFET (Metal Semiconductor Field Effect Transistor), uma

polarizao negativa na juno schottky limita a profundidade do canal condutivo em GaAs

dopado tipo-n, crescido em um substrato no dopado de GaAs [4]. Nas estruturas HEMT, a

polarizao na porta controla a concentrao de portadores abaixo do canal. O P-HEMT

tem um canal mais espesso por causa de uma fina camada de InGaAs contendo o gs

bidimensional de eltrons (2DEG).

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Como se observa na figura 2.4, dispositivos HEMT podem trabalhar em freqncias

at 10 vezes mais altas, comparados com MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) de Si do

mesmo tamanho.

Fig.2.3. Seco transversal de (a) um HEMT, e (b) um P-HEMT, e tambm o perfil de bandas de conduo (c) do HEMT e do (d) P-HEMT. Adaptado da ref.[4]. A alta mobilidade de um 2DEG em baixos campos eltricos se traduz em baixa

resistncia, e conseqentemente em um pequeno tempo caracterstico RC. No caso de

HEMT e MESFET AlGaAs-GaAs, a velocidade de deriva dos portadores em altos campos

eltricos abaixo da porta no muito diferente. No caso de transistores pseudomrficos, a

velocidade de deriva de saturao de eltrons em InGaAs maior que em GaAs (por causa

da massa efetiva menor do InGaAs), e a mobilidade em baixo campo tambm maior que

em GaAs. Outra vantagem dos HEMT o nvel reduzido de rudo[4].

18

Fig. 2.4. Limite de freqncia de vrios tipos de transistores versus seu comprimento de canal [4].

O HEMT considerado, junto com o laser de poo quntico, a primeira gerao de

dispositivos semicondutores qunticos, operando em estados eletrnicos quantizados.[4]

2.2.2 Transistor bipolar de heterojuno (HBT)

O primeiro transistor construdo foi bipolar, e mesmo com o advento dos

dispositivos de efeito de campo, a tecnologia bipolar continua fazendo o seu papel

proeminente. Os nveis de corrente que podem ser controlados so maiores que em

dispositivos de efeito de campo, e, altos nveis de corrente se traduzem em altas

velocidades e dispositivos de alta potncia. Os passos crticos em litografia para definir o

comprimento de canal em dispositivos de efeito de campo so substitudos por uma

preciso na preparao de uma fina regio de base ativa. A tecnologia epitaxial para o

19

crescimento uniforme de camadas micromtricas est mantendo a tecnologia bipolar

competitiva.

As heterojunes so usadas para transistores bipolares em materiais III-V. Existem

vrias vantagens de uma camada de emissor com larga banda proibida. Pela teoria do

transistor bipolar, o ganho de corrente emissor-base com heterojuno determinado por:

= (neve/pbvp)exp(Eg/kT)

onde ne e pb so as densidades de eltrons e lacunas no emissor e na base respectivamente,

ve e vp so as velocidades efetivas de eltrons e lacunas, e Eg a diferena das larguras das

bandas proibidas do emissor e da base[4]. A figura 2.5(a) mostra o perfil da energia de

bandas de um transistor bipolar com heterojuno que pode ser comparado com a estrutura

de um transistor bipolar de homojuno 2.5(b). A heterojuno entre AlGaAs e GaAs na

interface emissor-base mostrada na figura 2.5(a) d origem a melhorias como: (i) a

diferena entre as energias das bandas proibidas do emissor e base pode levar a um valor

prximo de 1000 em temperatura ambiente (10-100 suficiente na prtica); (ii) a dopagem

da base pode ser aumentada significativamente, enquanto a heterojuno limita o fluxo

inverso de lacunas, e a mais baixa resistncia de base se traduz em um dispositivo de

freqncia mais alta.

A principal aplicao de III-V HBT tem sido em circuitos amplificadores de

microondas e ondas milimtricas. A freqncia fT destes dispositivos pode alcanar at 5

vezes as freqncias correspondentes de dispositivos de Si.

20

Fig. 2.5. Perfil de bandas de energia de um (a) transistor bipolar de heterojuno e de um (b) transistor bipolar de homojuno. Adaptado da ref.[4].

2.3 Optoeletrnica

A optoeletrnica trata de produo de dispositivos sensveis a luz ou dispositivos

que geram luz[8].

Diodos emissores de luz (LEDs) servem geralmente como lmpadas indicadoras,

enquanto lasers so fontes de luz caracterizadas por sua radiao coerente de alta

21

intensidade. J os fotodetectores so usados em uma variedade de aplicaes industriais, tal

como em contadores e leitores de luz, bem como recebendo sinais luminosos (oriundos de

fibra ptica por exemplo) e convertendo-os em sinais eltricos.

O desenvolvimento dos sistemas de telecomunicaes baseados em fibra ptica

como meio de transmisso explodiu nos ltimos anos, conseguindo-se avanos

significativos na produo de fibras com baixa atenuao, baixa disperso e baixa gerao

de defeitos no lineares[9]. Os comprimentos de onda de menor atenuao para transmisso

em fibras de slica so de 1,3 e 1,5m. Isto levou ao desenvolvimento de lasers de alta

performance para ambos comprimentos de onda. Nesta seco sero descritos dispositivos

pticos que utilizam materiais III-V, bem como algumas aplicaes destes.

2.3.1 LED

O LED (light emitting diode) o mais simples dispositivo semicondutor emissor de

luz. Ele muito utilizado devido ao seu baixo custo, alta eficincia, circuito eltrico de

alimentao simples, alta confiana, e longo tempo de vida[10].

Um LED simplesmente uma juno p-n diretamente polarizada. Sob polarizao

direta, portadores minoritrios so eletricamente injetados de um lado para o outro, que so

lacunas no lado N e eltrons no lado P. Os portadores minoritrios se difundem atravs da

juno, recombinando continuamente com os portadores majoritrios. Em um semicondutor

de gap-direto, a maioria dos portadores minoritrios injetados recombinam radiativamente

com portadores majoritrios. Os eventos de recombinao radiativa levam a emisso de

ftons com energia prxima da energia da banda proibida. Uma frao dos portadores

minoritrios recombinam sem radiao, tipicamente emitindo fnons[10].

22

A escolha do material para um LED ditada pelo espectro de emisso necessrio,

bem como a maturidade tecnolgica do material e a possibilidade de dopagem tipo-n e tipo-

p. Os materiais mais utilizados para LED so GaAs, GaP e seu composto ternrio GaAs1-

xPx. GaP um semicondutor indireto, com banda proibida de ~2,3eV, por isso, impurezas

so adicionadas para ajudar nas combinaes radiativas. O nitrognio forma um estado de

armadilha tipo doador no GaP, perto da banda de conduo. As armadilhas de nitrognio

fornecem um canal de recombinao radiativa. A luz correspondente emitida na regio

verde do espectro. Outras cores podem ser obtidas atravs do uso de dopantes alternativos

em GaP, tal como zinco e oxignio, ou pelo uso de GaAs1-xPx. A banda do GaAs1-xPx muda

de direta para indireta com o aumento da composio de fsforo. O vermelho pode ser

obtido por emisso de banda direta com composio de 40% de fsforo. Laranja e amarelo

podem ser obtidas adicionando nitrognio na composio indireta de GaAsP, j o azul pode

ser obtido com ligas de InGaN[11].

Fig. 2.6. Esquemtico de um diodo LED [10].

A figura 2.6 mostra a construo de um LED de GaAsP.

23

Fig. 2.7 . (a) display de 7 segmentos e (b) display alfanumrico de matriz 5x7

Devido as suas caractersticas j mencionadas, LEDs so muito usados em displays

de 7 segmentos e letreiros alfanumricos digitais (ilustrados na figura 2.7(a) e 2.7(b)

respectivamente). So tambm fortes candidatos para substituio das lmpadas

incandescentes em algumas situaes aonde a troca de lmpadas de difcil acesso (como

painis de automveis).

2.3.2 Laser de semicondutor

A palavra laser um acrnimo de light amplification by the stimulated emission of

radiation. Este dispositivo possui uma grande similaridade com o j descrito LED, a

principal diferena que a emisso de luz, que ocorre espontaneamente no LED, no laser

estimulada. A emisso considerada estimulada quando um fton gerado refletido dentro

do dispositivo e induz um eltron a cair da banda de conduo para a banda de valncia,

emitindo outro fton com a mesma fase[8]. Por causa da emisso estimulada, a luz do lazer

tem propriedades nicas: ela altamente direcional e monocromtica com largura de

espectro muito estreita, como mostra a figura 2.8.

24

Fig. 2.8. Resposta espectral do (a) diodo LED e (b) do diodo laser [8]

A luz emitida pelo LED incoerente. J a luz do laser coerente (no espao e no

tempo).

Em um laser de juno PN, ambos lados P e N da juno so degeneradamente

dopados. A condio em equilbrio trmico mostrada na figura 2.9(a). Os nveis de Fermi

esto alinhados. Nota-se que a barreira de potencial no equilbrio trmico excede a energia

da banda proibida. Quando uma polarizao direta Va aplicada no diodo, com Va>Eg/q,

ocorre uma diminuio significativa na barreira de potencial, como mostrado na figura

2.9(b). A diminuio na barreira permite a passagem de uma alta corrente atravs da

juno, causando populao inversa.

Fig. 2.9. Diagrama de energia de bandas de um diodo laser (a) em equilbrio trmico e (b) com polarizao direta aplicada Va>Eg/q[8].

25

A onda de emisso de luz espontnea a baixos valores de tenso aplicada. A luz

emitida refletida dentro do diodo laser, e, com o aumento da tenso, a emisso torna-se

estimulada, como mostrado na figura 2.10, onde os ftons emitidos tem freqncia =Eg/h.

Fig. 2.10. A emisso estimulada precedida de emisso espontnea [8].

A emisso estimulada amplificada pela realimentao positiva, resultando em

reflexes nos limites fsicos do diodo, que conhecido como cavidade. A figura 2.11 ilustra

uma perspectiva de um laser semicondutor, onde pode ser vista a regio ativa e a cavidade

laser.

A cavidade tem a forma de um paraleleppedo, e contatos metlicos so colocados

em cima e em baixo do diodo para fornecer a corrente. A parte da frente e de traz so

rugosas para que no haja emisso por estas faces, e as outras superfcies perpendiculares

ao plano da juno so polidas e clivadas tal que fiquem semi-refletoras.

26

Fig. 2.11. Vista em perspectiva da cavidade de um diodo laser. Adaptado da ref.[8].

Os lasers possuem aplicaes em vrias reas tecnolgicas, como leitura e gravao

de discos compactos (CDs), impresso a laser, equipamentos mdicos, sistemas de

comunicao ptica com freqncia na ordem de 1014Hz, oferecendo uma grande largura

de banda (visto que um canal comercial de televiso utiliza uma banda de 6MHz, enquanto

um canal de radio requer aproximadamente 15KHz)[8].

2.3.3 VCSEL - Vertical Cavity Surface Emitting Lasers

Na maioria dos lasers conhecidos, a luz emitida a partir das extremidades. Sempre

houve um interesse em lasers emissores de superfcie, que permitiriam comunicao em

espaos vazios e disposies bidimensionais de fontes luminosas de alta potncia.

Tentativas mais recentes introduziram espelhos ou grades para girar a luz em 90, mas o

maior advento foi o uso de multicamadas GaAs-AlGaAs usadas como espelhos distribudos

(DBR- Distributed Bragg Reflector) [4]. As camadas de GaAs e AlGaAs tem uma espessura

27

tpica de do comprimento de onda cada uma. A estrutura mostrada na fig 2.12. Os

contatos hmicos so colocados em cima e em baixo e no h necessidade de cortar ou

polir as faces. No difcil de se conseguir refletividade melhor do que 99%. VCSEL tem

ganho e perda comparveis com laser de emisso de extremidade, mas bem mais

compacto.

Fig. 2.12. Estrutura multicamadas de um laser emissor de superfcie caracterizando a distribuio dos espelhos em multicamadas e uma microfotografia do dispositivo[4].

Alm de sistemas de comunicao por fibra ptica, a geometria de emisso de

superfcie tem muitas aplicaes em sistemas futuros, devido a qualidades como: (i) a

estrutura pode ser integrada em configuraes bidimensionais, (ii) baixa divergncia

circular, eliminando a necessidade de tica corretiva, (iii) baixo custo, pois os dispositivos

so completados e testados no nvel de lmina, (iv) baixa sensibilidade com variaes de

temperatura comparado com diodos laser emissores de extremidade, (v) alta velocidade de

transmisso com baixo consumo de potncia, entre outras caractersticas[11].

28

A necessidade de confinar a corrente para se conseguir um feixe estreito apresenta

problemas. Introduo de defeitos atravs de implantao inica uma alternativa atrativa

para confinamento de corrente e isolao de dispositivos prximos.

2.3.4 Laser de poo quntico

No laser de homojuno simples, uma parte dos portadores injetados pela ao da

polarizao direta na regio ativa difundem para fora, no contribuindo para o processo de

produo de ftons. Alm disso, os campos pticos fogem consideravelmente nas camadas

semicondutoras inativas envolventes, limitando o ganho mdio e aumentando muito a

densidade de corrente de limiar[10].

Sistemas de dupla heteroestrutura, consistindo de material com estreita banda

proibida, limitado lateralmente por um material de banda proibida mais larga, so os mais

bem sucedidos lasers desta espcie. A presena destas barreiras potenciais de

heteroestrutura em ambos os lados da camada de pequeno gap, como mostra a figura 2.13,

formam uma regio ativa no dispositivo, propiciando confinamento ptico e eltrico

reduzindo substancialmente a densidade de corrente de limiar do laser[10].

Fig. 2.13 Esquemtico de um laser de dupla heterojuno p-n[10].

29

Estruturas de simples poo quntico (SQW) e principalmente mltiplos poos

qunticos (MQW), apresentam baixa densidade de corrente de limiar, excelente linearidade

entre a intensidade de luz e a corrente, estvel divergncia do feixe e diminuio da

dependncia da corrente de limiar com a temperatura[10].

A construo destes dispositivos feita de uma camada de material de banda

proibida estreita colocada entre duas camadas de um material de ampla banda proibida,

como GaAs e AlxGa1-xAs respectivamente, no exemplo da figura 2.14. A emisso

estimulada aparece da transio eletrnica entre os estados qunticos confinados dentro dos

poos para os eltrons e lacunas. As energias de estado quntico de confinamento

dependem da largura e profundidade do poo e da massa efetiva de eltrons e lacunas.

Fig. 2.14. Esboo da banda de valncia e de conduo de um laser de MQW. Adaptado da ref.[10].

Se os poos quadrados formados so aproximados de infinitos, as energias de

estados qunticos de confinamento para eltron e lacunas se aproximam pela expresso[10]:

2 2 2

22nnE

mL

= , (2.1)

onde n um inteiro, especificando o estado quntico, m a massa efetiva dos portadores e

L a largura do poo. Desprezando qualquer mudana na energia cintica em direes no-

30

quantizadas, a energia do fton emitido da transio eletrnica entre dois estados qunticos

confinados, como na figura 2.15, :

2 2 2 2 2 2

2 22 2g c

n nh Em L m L

= + + (2.2)

Fig. 2.15. Esboo da estrutura de energia de bandas de um laser de poo quntico, mostrando a transio de estado quntico confinado. Adaptado da ref.[10].

Usando uma camada ativa de GaAs muito fina, se consegue vantagens como:

1. Os eltrons e lacunas tem nveis de energia quantizados como conseqncia do

confinamento, tal que as transies entre bandas no esto amarradas energia de

gap do GaAs(0,86m), mas podem ser modulados entre 0,67-0,86m, variando a

largura do poo.

2. A densidade de estados se torna bidimensional, e a contribuio da concentrao de

portadores injetados sobre o ganho mais efetiva [4].

31

Captulo 3 Isolao de semicondutores III-V por feixe de ons

A implantao inica em semicondutores compostos tem duas aplicaes principais,

a dopagem e a isolao. A implantao cria defeitos na rede cristalina que apresentam

comportamentos diferentes no GaAs[12,13] e no InP.[14]

A isolao de GaAs muito importante na tecnologia quando existe a necessidade

de transformar uma camada condutiva em altamente resistiva. Os defeitos pontuais criados

pela implantao e algumas impurezas no cristal criam nveis profundos na banda proibida,

que dependendo das suas caractersticas eltricas servem como armadilhas para eltrons ou

lacunas [15].

A isolao por irradiao com feixe de ons geralmente realizada com ons de

massa leve (H+, He+, B+, O+, etc), isto porque suas profundidades de penetrao atingidas

com as energias disponveis nos implantadores industriais so satisfatrias[12].

A dependncia da resistncia de folha com a dose de prtons para GaAs pode ser

visto na figura 3.1 [16], onde foram medidas amostras com diferentes concentraes iniciais

de portadores (amostra A com ns=7,0x1012cm-2 e amostra B com ns=6,8x1011cm-2). Neste

grfico so definidas trs regies distintas da curva: a primeira regio a de pequena dose,

caracterizada por um pequeno aumento na resistncia de folha. Neste caso, a concentrao

de portadores muito maior que a concentrao de defeitos criados pela implantao. A

segunda regio caracterizada por um notvel aumento na resistncia de folha, ocasionado

pelo aumento da concentrao de defeitos com nveis de energia no interior da banda

proibida, funcionando como armadilhas de portadores. Nesta regio do grfico, a

concentrao de defeitos se torna comparvel com a concentrao de portadores. A terceira

32

regio tem inicio quando a resistncia de folha da regio ativa se torna superior a

resistncia do substrato, caracterizada por um plat em Rs. Fazendo uma analogia de dois

resistores em paralelo, sendo um a regio ativa e outro o substrato, no plat, a medida de Rs

o valor do substrato, podendo ento se dizer que a regio ativa foi completamente isolada.

Esta dose, necessria para que o valor da resistncia de folha atinja valores prximos de

109/sq denominada Dose de Limiar Dth (threshold dose). Aumentando ainda mais a

dose, so criados defeitos em excesso, ocorrendo conduo entre estes defeitos,

denominada conduo via hopping, conseqentemente diminuindo Rs.

Fig. 3.1. Evoluo da resistncia de folha em amostras de GaAs tipo-n com concentrao de folha de portadores de (A)7.0x1012cm-2 e (B) 6.8x1011cm-2.[16]

33

Os dados da fig. 3.1 mostram a necessidade de doses maiores para isolar amostras

com maiores concentraes iniciais de portadores, pois para capturar uma quantidade maior

de portadores necessrio um nmero maior de armadilhas, o que pode ser melhor

visualizado na figura 3.2[17]. Quanto maior a concentrao inicial de dopantes, mais

deslocado para a direita fica a dose de limiar, como mostra a figura 3.2(b).

Fig. 3.2 (a) Dependncia da resistncia de folha com a dose implantada de 1H+ a 50KeV em temperatura ambiente, em amostras com concentrao inicial de portadores de 7,7x1011cm-2 (curva 1), 8,9x1012cm-2 (curva 2) e 1,6x1013cm-2 (curva 3). A curva 4 representa SI-GaAs submetida a mesma radiao. (b) Concentrao inicial de portadores versus dose de limiar, obtida dos dados de (a).A linha tracejada representa o melhor ajuste para os dados.[17]

34

Outro fato observado tanto na figura 3.1 como na figura 3.2, que o inicio da

conduo via hopping independe da concentrao inicial de portadores, mas sim da

quantidade de defeitos criados via implantao.

Fig. 3.3. (a) Dependncia da resistncia de folha com a dose em amostras idnticas, irradiadas em temperatura ambiente com 1H+ a 50, 100 ou 150KeV, 2H+ a 40KeV ou 4He+ a 80KeV. (b) Concentrao estimada de colises (Nd) que retiram tomos da rede de suas posies originais na camada ativa versus a dose de limiar para cada diferente on/energia utilizados [17].

35

A figura 3.3(a) [17] mostra o comportamento da resistncia de folha em funo da

dose implantada para 5 amostras de GaAs tipo-n com mesma concentrao inicial de

portadores (ns=7,0x1012cm-2), porm com diferentes ons e energias de implantao.

Quanto menor a energia do on incidente ou quanto maior a massa do mesmo, mais

deslocada para a esquerda fica a curva, devido a maior concentrao de defeitos criados por

unidade de dose implantada. Tambm se observa que, para ons mais pesados, a dose

correspondente conduo via hopping menor.

A figura 3.3(b) mostra uma concentrao estimada de tomos deslocados da rede

(Nd, calculados pelo TRIM [18]) versus a dose de limiar para cada caso, revelando que o

processo de remoo de portadores diretamente proporcional a Nd.

Durante a fabricao de dispositivos microeletrnicos, so necessrios um ou mais

recozimentos trmicos, tornando necessrias medidas do comportamento da resistncia de

folha com a temperatura de recozimento. Assim se pode definir a estabilidade trmica,

como sendo a mxima temperatura de recozimento em que ainda se obtenha valores de Rs

na ordem de 108-109/sq.

Trabalhos anteriores [19] investigaram o comportamento da resistncia de folha em

funo da temperatura de recozimento de amostras de GaAs tipo-n com trs diferentes ons

implantados e com trs diferentes doses cada um. As doses so mostradas na figura 3.4(d) e

foram escolhidas para manter a razo entre armadilhas criadas e concentrao de portadores

livres: D1 uma dose menor do que Dth, D2 uma dose maior do que a dose necessria

para comear o hopping e D3 a dose mais alta, levando as amostras em condio de

hopping forte (Rs ~ 106/sq).

36

Fig. 3.4 Comportamento da resistncia de folha com o aumento da temperatura de recozimento de GaAs tipo-n aps implantao com (a)H+ a 50KeV, (b)He+ a 80KeV e (c) B+ a 150KeV e as doses escolhidas em cada amostra (d).[19]

A fig 3.4 mostra que, para irradiao com dose D1 (antes de alcanar a dose de

limiar), nos trs ons utilizados ocorre uma queda acentuada na resistncia de folha entre

37

200 e 300C, e outra aps os 400C. A primeira regio de recozimento devido ao aumento

da concentrao de folha de eltrons como da mobilidade dos mesmos (fig 3.5). J a

segunda regio (400C) apresenta apenas um forte acrscimo na mobilidade, associado ao

recozimento de centros espalhadores carregados que no atuam como armadilhas.[19]

Os resultados da fig. 3.4 mostram claramente que a termoestabilidade das amostras

isoladas no depende da espcie qumica implantada, e sim da razo entre as concentraes

das armadilhas criadas e dos portadores livres.

Fig. 3.5 Concentrao de folha ns (curva 1) e mobilidade efetiva (curva 2) de amostras de GaAs tipo-n com Rs inicial de 300/sq irradiadas com H+ com energia de 50KeV e dose 3x1013cm-2, recozidas em diferentes temperaturas por 300s .[19]

Os resultados de isolao de amostras de GaAs tipo-p indicaram que

aproximadamente a mesma concentrao de armadilhas de eltrons e lacunas criada

durante a implantao com ons leves ( veja figura 3.6)[20]. Observa-se que para mesma

38

concentrao inicial de portadores, e usando o mesmo on para isolao, amostras de GaAs

tipo-p e tipo-n apresentam a mesma dose de limiar.

Fig. 3.6. Comportamento da resistncia de folha em funo da fluncia de 1H+ a 50KeV ou 4He+ a 80KeV para amostras tipo-p e tipo-n com mesma concentrao inicial de folha de portadores(6x1012cm-2).[20]

Um comportamento interessante no observado em amostras tipo-n foi observado

para as amostras do tipo-p durante as medidas de estabilidade trmica. De Souza et al [20]

observaram um aumento na resistncia de folha para recozimentos a partir de 100C em

amostras com 0,5Dth e Dth, como pode ser visto na figura 3.7, que ser discutido mais

adiante.

39

Fig. 3.7. Evoluo da resistncia de folha com a temperatura de recozimento para amostras da GaAs tipo-p implantadas com prtons de 50KeV e doses de 0,5Dth, Dth, 4Dth, 16Dth e 160Dth.[20]

Trabalhos de Boudinov et al [12] utilizaram amostras de SI-GaAs LEC dopadas com

Mg e C implantadas com H+ a 400KeV com concentrao inicial de portadores similar.

Neste trabalho observa-se (figura 3.8) que amostras com mesma concentrao inicial de

portadores livres possuem a mesma a dose de limiar, caracterizando que esta dose no est

relacionada com a posio que o dopante ocupa na rede cristalina, j que o C e o Mg como

aceitadores ocupam stios diferentes na rede do GaAs (C substitui o As e Mg substitui o

Ga). Fica claro tambm que a conduo via hopping independe do dopante.

40

Fig.3.8. Evoluo da resistncia de folha em amostras de GaAs tipo-p dopadas com C e Mg em funo da dose irradiada de H+ a 400KeV. [12]

Para medidas de resistncia de folha versus temperatura de recozimento das

amostras da figura 3.8, novamente aparecem aumentos na resistncia de folha nos

recozimentos a partir de 100C, que em amostras dopadas com Mg aumentam mais de duas

ordens de grandeza, como pode ser visto na figura 3.9. Este efeito esta relacionado com

formao de defeitos complexos dependentes do tipo de dopante introduzido (as dopagens

foram feitas atravs de implantao inica e posterior recozimento trmico).

41

Fig.3.9. Evoluo da resistncia de folha com a temperatura de recozimento de resistores de GaAs tipo-p dopados com (a)Mg e (b)C irradiados com H+ a 400KeV e doses D1=0.25Dth, D2=5Dth e D3=100Dth.[12]

InP um dos semicondutores compostos III-V com interesse industrial. Alguns

trabalhos de isolao de InP j foram publicados.[21, 14]

42

Fig. 3.10. Dependncia da Resistncia de folha com a dose para H+ a 150 e 600KeV em amostras de InP tipo-n com concentraes iniciais de portadores de (I) ns=3,9x1012, (II) ns =5,4x1012 e (III) ns=2,4x1013cm-2.[14]

A figura 3.10 apresenta a evoluo da resistncia de folha com a fluncia de H+ para

amostras de InP com diferentes concentraes. O que fica claro a semelhana com as

curvas de GaAs, aumentando a dose necessria para isolao com o aumento da

concentrao inicial de portadores e, apresentando 3 regies distintas (regio de baixas

doses, regio de aumento de Rs em vrias ordens de grandeza e regio aps a dose de

limiar, que forma um plat em Rs). Porm, a resistncia de folha mxima alcanada na

ordem de 105/sq.

43

Fig. 3.11. Evoluo da resistncia de folha com a temperatura de recozimento em RTA por 60s em Ar de (a)InP tipo-n e (b)InP tipo-p irradiados com H+ a 600KeV. Para InP tipo-n D1=Dth, D2=33Dth eD3=200Dth. Para InP tipo-p D1=2.5Dth e D2=36Dth.[21]

A figura 3.11(a) mostra os resultados do comportamento da resistncia de folha com

a temperatura de recozimento da amostra I da fig 3.10, com trs diferentes doses irradiadas

a 600KeV. Estes dados indicaram estabilidade trmica inferior a 200C, independente da

44

dose irradiada. Acima desta temperatura, uma forte diminuio em Rs observada atribuda

ao possvel recozimento de anti-stios de InP no estado de carga (-/--), que so duplo-

aceitadores e quando recozidos liberam os eltrons capturados[23]. Para altas doses

irradiadas (1x1016cm-2), o valor de Rs para recozimentos em temperaturas superiores a

300C resulta em valores menores que o seu valor original, conseqncia da possvel

ativao dos anti-stios PIn nesta temperatura, gerando portadores livres tipo-n.

J as medidas de resistncia de folha versus temperatura de recozimento para InP

tipo-p mostraram estabilidade em torno de 450C (ver figura 3.11(b)). A temperatura

caracterstica de termoestabilidade (prximo dos 500C), provavelmente est relacionada

com o recozimento do anti-stio PIn no estado de carga (+/++), que ao ser recozido diminui

Rs. Como a concentrao destes defeitos proporcional a dose irradiada, para a amostra

com dose D2 (36Dth) houve troca na condutividade, de tipo-p para tipo-n, o que no houve

com a amostra D1, irradiada com baixa dose (2,5Dth). Este fenmeno ser discutido em

detalhes no captulo 5.

45

Captulo 4 Mtodos e tcnicas experimentais

4.1 Epitaxia

O processo de crescimento de uma camada cristalina atravs de deposio de

material sobre outro material cristalino conhecido como epitaxia.

Epitaxia pode envolver crescimento de materiais em cima de materiais idnticos,

como Si em Si e GaAs crescido em GaAs, processo conhecido como auto-epitaxia ou

homo-epitaxia. Epitaxia tambm encontra lugar na tecnologia para o crescimento de um

material sobre substrato de um material diferente: hetero-epitaxia. Neste caso podem

ocorrer problemas de compatibilidade ou mismatch (m combinao) devido a no

similaridade (orientao, propriedades qumicas, parmetros de rede, estrutura do cristal,

etc.) entre o substrato e a camada epitaxial crescida. A epitaxia de GaAs em

Si um exemplo de hetero-epitaxia. Existe uma diferena de 4,5% entre os

parmetros de rede destes materiais, de modo que os processos de crescimento envolvem

uma considervel quantidade de tenses mecnicas, que so precursoras de defeitos

estendidos [24].

MOCVD (Metal-Organic Chemical-Vapor Deposition) o acrnimo de deposio

por vapor qumico de organometlicos, que uma tcnica de crescimento que utiliza

compostos metal-orgnicos, tais como trimetil glio e trimetil alumnio que agem como

precursores para os tomos da coluna III, e gases como fosfina e arsina como precursores

de tomos da coluna V.

O processo consiste em transportar os precursores em um gs portador para uma

zona quente dentro de uma cmara de crescimento. Os precursores se dissociam ou reagem,

produzindo filmes finos que so constitudos de um nico elemento ou de uma combinao

46

destes. Variando a composio de materiais depositados e dopantes, se produz a camada

epitaxial desejada.

Os reatores epitaxiais consistem de trs partes principais:

1. o sistema de fornecimento de gs, que fornece as espcies em medidas exatas;

2. a cmara de reao, onde estas espcies so transportadas at o substrato para

ocorrer a reao;

3. sistema de tratamento de efluentes.

Os trs tipos mais comuns de reatores de epitaxia so: o horizontal, o vertical e o

sistema de barril, que so apresentados na figura 4.1.

Fig. 4.1 Configuraes de reatores epitaxiais: (a) reator horizontal; (b) reator vertical e (c) reator de barril [24].

O crescimento das amostras de GaAs com camadas condutivas estudadas neste

trabalho foi realizado na Russian Academy of Sciences, em Nizhny Novgorod, cujo sistema

47

apresentado na figura 4.2, junto com as reaes para o crescimento de GaAs e do dopante

C (carbono). O crescimento das amostras de InP foi feito no Department of Electronic

Material Engineering, Australian National University, Canberra.

Fig. 4.2. Sistema de crescimento epitaxial de MOCVD e as reaes para o crescimento de GaAs e camada dopante de C.

Por questes de estequiometria conveniente crescer GaAs em temperaturas entre

600 e 850C. Temperaturas superiores a 850C resultam em formao excessiva de

vacncias de glio. Por outro lado, os reagentes so dificilmente dissociados em baixas

temperaturas, limitando a qualidade do filme, e em casos extremos reduzindo a mobilidade

de espcies de superfcie, uma tendncia para o filme se tornar policristalino[24].

4.2. Implantao inica

A implantao inica uma tcnica onde tomos ou molculas so ionizados,

acelerados por um campo eltrico e implantados num material alvo. A introduo de

espcies qumicas diferentes dos tomos do alvo, e a transferncia da energia dos ons para

o slido provocam modificaes qumicas e estruturais no material, alterando propriedades

48

mecnicas, eltricas, pticas, etc. Essas modificaes dependem do material alvo e dos

parmetros de bombardeamento, como energia dos ons, dose, corrente do feixe, on

utilizado como projtil, etc.[24].

Penetrando no material slido, o on sofre uma srie de colises com os tomos e

eltrons do alvo, fazendo com que ele perca energia e v freando. O freamento ocorre

principalmente devido a dois mecanismos, um a transferncia de energia para os ncleos

do alvo, causando deflexo do on incidente e tambm desalojamentos dos tomos

atingidos dos seus locais originais na rede. Este mecanismo definido como poder de

freamento nuclear (nuclear stopping power), Sn. Se E a energia do on em qualquer ponto

x ao longo do seu caminho, pode-se definir o poder de freamento nuclear como

1n

n

dEN dx

S =

, onde N a densidade de tomos no alvo.

O segundo processo de freamento causado pela interao dos ons com eltrons do

alvo. Este processo definido como poder de freamento eletrnico (electronic stopping

power) 1ee

dEN dx

S =

.

A mdia da energia perdida por unidade de distncia determinada pelo

[ ]( ) ( )n edE N S E S Edx

+ = + . Se a distncia total percorrida pelo on R, ento,

( ) ( )0

0 0

1R E

n e

dER dxN S E S E

= =+ , onde E0 a energia inicial do on.

A distribuio dos ons pela projeo da distncia percorrida no eixo x mostrada

na figura 4.3(a). Pela natureza estatstica do processo, esta projeo da distncia

caracterizada pelo valor mdio Rp (project range), bem como pelo seu desvio padro Rp

(straggle) ao longo da direo do on incidente.

49

O on tambm sofre desvios no ngulo em relao ao feixe incidente (ver figura

4.3(b)). Este desvio transversal denominado de Rt, e de grande importncia para

determinar a distribuio de dopantes perto da extremidade de uma janela na mscara

utilizada para implantao, podendo ser ignorado se a largura desta janela for muito maior

quando comparada com a profundidade de implantao.

Fig. 4.3. Profundidade e straggles. Adaptado da ref. [24]

Em um material cristalino, a ordem dos tomos na rede do cristal faz com que entre

as linhas atmicas se formem espaos vazios, que so chamados de canais como mostra a

figura 4.4. Ento, se o feixe de ons for orientado nos eixos ou planos destes canais, os ons

tendero a se movimentar nos canais sem colises, alcanando assim profundidades

50

superiores s necessrias. Este efeito denominado canalizao e ocorre em materiais

cristalinos[25].

Fig.4.4. Estrutura cristalina do silcio vista ao longo de eixos , e [26].

Durante a implantao, ons energticos colidem com os tomos da rede do material

antes de parar. Uma parte da energia destes ons transferida para a rede fazendo com que

tomos sejam deslocados, muitas vezes com energia considervel, podendo deslocar outros

tomos, resultando em uma cascata de colises. Deslocaes produzidas durante a

implantao podem formar grupos de defeitos pontuais. Para caracterizao destes defeitos

so usadas vrias tcnicas experimentais de observao como microscopia eletrnica, retro-

espalhamento de Rutherford (RBS), e tcnicas de canalizao entre outras.

A natureza dos defeitos criados pelo on incidente depende da massa do on. ons

leves geralmente transferem uma pequena quantidade de energia durante cada coliso com

o alvo, se defletindo com grandes ngulos, como mostrado na figura 4.5(a). Cada tomo do

alvo deslocado ter uma pequena quantidade de energia transferida, dificilmente

ocasionando deslocamentos em cascata, assim, a principal perda de energia do on se d por

freamento eletrnico.

51

Fig. 4.5 Defeitos devido a (a) ons leves e (b) ons pesados [24].

O efeito de ons pesados completamente diferente, neste caso, uma grande

quantidade de energia transferida aps cada coliso, e cada tomo deslocado capaz de

produzir um grande nmero de deslocamentos. Neste caso, o caminho do on incidente

pequeno, e a maioria da energia transferida para a rede por freamento nuclear, criando

uma alta densidade de defeitos em um pequeno volume, como mostra a figura 4.5(b)[24].

4.2.1 Isolao de camadas condutivas in-situ

A isolao consiste na implantao de ons em amostras semicondutoras, criando

defeitos que modifiquem suas caractersticas estruturais e eltricas. Para isto so usados

resistores conectados atravs de fios parte externa na cmara de implantao, para ser

medida sua resistncia, sem a necessidade de quebrar o vcuo e tirar as amostras da cmara

de implantao.

52

Os resistores so amostras clivadas em retngulos de 6mm x 3mm com contatos de

In nos dois lados menores da amostra como mostra a figura 4.6.

Fig. 4.6. Resistor com contatos de In preparada para isolao.

O suporte onde a amostra est fixa consiste de um encapsulamento de transistor TO-

3 metlico cortado, com um isolante de alumina e em cima deste colada a amostra com

fotoresina, como mostrado na figura 4.7.

Fig.4.7. Suporte de amostra usada para medida de isolao in-situ.

53

Aps cada implantao, medido o valor da resistncia da amostra in-situ com o

medidor Keithley 617, e atribudo dose total acumulada. Este valor medido a resistncia

do resistor, ento se calcula resistncia de folha Rs como: ms mm

wR Rl

= , onde Rm a

resistncia medida, Wm a largura e lm o comprimento a amostra, ambos medidos em

microscpio metalogrfico.

Para tecnologia de microeletrnica e de filmes finos entre outras, o valor de

interesse a resistncia de folha do material, definida como a resistncia entre bordas

opostas de um quadrado da amostra de tamanho arbitrrio, visto que estas tecnologias

utilizam materiais onde as dimenses laterais so muito maiores que a espessura do filme

[27].

4.3 Recozimento trmico rpido (RTA)

Como mencionado anteriormente, os processos de implantao de ons resultam em

uma degradao das caractersticas do material, como mobilidade e tempo de vida. Alm

disso, apenas uma parte dos ons implantados ficam substitucionais a tomos da rede, onde

eles so eletricamente ativos. possvel recozer quase todos estes defeitos fazendo

recozimentos trmicos com uma combinao apropriada de tempo e temperatura. A

recuperao completa da mobilidade, tempo de vida e ativao de portadores aconteceria se

o semicondutor voltasse sua forma monocristalina, [24] porm, na prtica os recozimentos de

compostos III-V ficam distante disto, de forma que o recozimento parcial alcanado seja o

suficiente.

Existem problemas associados ao recozimento trmico em fornos comuns, devido a

grande massa a ser aquecida, como paredes do forno e carregador de lminas, aumentando

o tempo necessrio para o processo. Outro problema relacionado com a perda de dopantes

54

devido a evaporao, causando problemas graves principalmente em GaAs, com

considervel deteriorao do material,[24] que pode ser amenizado se for coberto de forma

apropriada. Estes problemas podem ser minimizados pelo uso da tcnica de recozimento

trmico rpido RTA (rapid thermal annealing).

O RTA consiste em realizar o recozimento trmico da amostra com um incremento

rpido na temperatura (na ordem de 100C/s), permanecendo na temperatura desejada por

segundos ou poucos minutos.

O equipamento utilizado foi desenvolvido no Laboratrio de Microeletrnica e

consiste de uma cmara de quartzo onde so colocadas as amostras a serem recozidas sobre

uma lmina de silcio. Nesta lmina est fixo o termopar utilizado para controle de

temperatura. O aquecimento feito por 7 lmpadas halgenas de tungstnio de 1000W

cada, (ver figura 4.8) que esto situadas fora da cmara, embaixo do suporte da amostra. A

amostra coberta com uma outra lmina do mesmo material a ser recozido, ou colocada

com a superfcie para baixo para evitar evaporao de dopantes.

Fig. 4.8. Esquemtico de um sistema de forno RTA

55

Os refletores so metlicos e percorridos por fluxo constante de gua durante o

recozimento, para refrigerao. A rampa de subida da temperatura e a sua estabilidade so

definidas pela corrente nas lmpadas, controlada por computador.

4.4 Mtodo de Van der Pauw para medidas de resistncia de folha

Este mtodo pode ser aplicado em amostras de superfcie plana, de forma arbitrria,

com espessura uniforme t, na qual so colocados contatos hmicos suficientemente

pequenos na extremidade da amostra.[28]

Fig. 4.9 Amostra utilizada para medida de Rs pelo mtodo de Van der Pauw, na qual os contatos so colocados na extremidade, podendo ser a amostra de forma arbitrria. Adaptado da ref. [27].

O teorema definido por Van der Pauw para amostras com caractersticas descritas

acima e expressado em termos de resistncia RABCD :

ABABCD

CD

VRI

=

onde VAB a tenso medida entre os contatos A e B, e, ICD o valor de corrente que circula

entre os contatos C e D, como mostra a figura 4.9. Van der Pauw expressou tambm o valor

da resistividade como:

56

( )2ln 2

AA B

B

Rt R R fR

= +

(4.1)

onde RA=Vad/Ibc e RB=Vdc/Iab so medidas da resistncia efetiva descrita na fig.4.10 e a

funo f(RA/RB) a soluo da equao

=

+

ff 2lnexp

21cosh

2ln11 1

(4.2)

com = RA/RB , cujo grfico mostrado na figura 4.11.

A funo f serve como um fator de correo para amostras com geometria arbitrria.

Pode-se perceber que para amostras quadradas, =1 e f=1.

Fig. 4.10. Configuraes de corrente e tenso usadas para determinar a resistividade em geometria de Van der Pauw. Adaptado da ref. [29].

Fig. 4.11. Variao da funo f em funo da simetria da amostra.[29]

57

Atravs destes clculos de Van der Pauw, chega-se a um valor de resistividade.

Considerando amostras quadradas de lado l, o valor da resistncia de folha fica:

..slR

t l t

= = , que independente de l, e portanto, uma propriedade da amostra, cuja

dimenso ohm por quadrado (/sq).

Erros na medida podem ocorrer por problemas de contato, visto que os contatos

devem ser hmicos, por aquecimento Joule devido a correntes elevadas na amostra, foto-

efeitos, quando h incidncia de luz na amostra, correntes de fuga para o substrato, ou

estados de interface presentes na superfcie.

4.5 Efeito Hall

Medida de Efeito Hall a mais bsica e a mais usada tcnica de caracterizao de

materiais semicondutores, permitindo determinar o tipo e a concentrao dos portadores

majoritrios de uma amostra semicondutora.

Fig. 4.12 . A geometria do Efeito Hall clssico. Adaptado da ref. [29].

58

A figura 4.12 mostra um semicondutor uniformemente dopado. Circulando uma

corrente Ix na direo x e aplicando um campo magntico uniforme na direo z (BZ), surge

na direo y uma diferena de potencial VAB, devido a fora de Lorentz, que atua sobre os

portadores de carga, levando as lacunas para a direo negativa de y e os eltrons para a

direo positiva. No momento em que a fora devido ao campo eltrico se igualar fora

magntica, jy= 0, ou seja, qvxBz=qEy, onde vx a velocidade dos portadores na direo x,

que para uma concentrao uniforme de lacunas p, determinada por

qpJ

v xx = (4.3)

onde q a carga elementar e Jx a densidade de corrente na direo x. Como o coeficiente

Hall RH para um semicondutor tipo-p definido pela relao zxHy BJRE = , a igualdade no

equilbrio fica:

1 yxz H x z H

x z

EJq B qR J B Rpq pq J B

= = (4.4)

como yHx z

ER

J B= e H yV wE= , em termos de espessura t e largura w da amostra, podemos

escrever:

H H HH

x z x z x z

V V wt V tRwJ B I wB I B

= = = . (4.5)

Igualando 4.4 e 4.5 :

1Hx z

V tI B pq

= . (4.6)

Como esta medida trata com amostras homogneas, ps= p.t, obtendo-se:

z xs

H

B IpqV

= (4.7)

59

O coeficiente Hall pode ser determinado usando uma amostra de forma arbitrria,

desde que esta satisfaa os mesmos requisitos necessrios para as medidas de resistividade.

Geralmente, medidas de Efeito Hall so precedidas de medidas de resistividade,

principalmente pelo mtodo de Van der Pauw descrito acima. Com o valor da resistividade

pode-se calcular a mobilidade das lacunas da amostra, pela equao =1/qpp, obtendo-se:

1p qp

= (4.8)

Neste caso simples se assume que todos os portadores se movem com a mesma

velocidade vx. Por causa da existncia de distribuio de velocidades, a expresso 4.8

generalizada se transforma em:

Hp

rqp

= (4.9)

onde rH um fator numrico chamado de fator Hall, ou fator de espalhamento Hall. Este

fator em geral diferente para eltrons e lacunas, dependendo do campo eltrico,

temperatura e concentrao de doadores e aceitadores, NA e ND, parmetros os quais

influenciam nos mecanismos de espalhamento que limita a velocidade dos portadores. Se

assume rH como sendo igual a 1 em medidas Hall de GaAs e InP. Quando rH1, a

mobilidade determinada atravs da eq.(4.9) referenciada como uma mobilidade Hall, para

distinguir da mobilidade de deriva dos portadores [29]. No caso de eltrons, o coeficiente

Hall para a configurao da fig.(4.12) negativo, ento a concentrao de eltrons n

determinada por

HRqn 1= (4.10)

e a mobilidade por

60

H Hn

R rqn

= = (4.11)

A concentrao e a mobilidade so os dois dados de primeiro interesse nas medidas

de efeito Hall, e podem ser determinadas das medidas diretas de corrente, tenso e campo

magntico, usando as equaes 4.10 e 4.11.

4.6 Medidas de efeito Hall com temperatura varivel.

As medidas de efeito Hall com temperatura varivel podem determinar energia de

ativao, e a anlise da variao da mobilidade em funo da temperatura pode render

informaes sobre os mecanismos de espalhamento que limitam a mobilidade dos

portadores.

Fig.4.13. Viso geral do sistema automatizado de medidas de Efeito Hall com temperatura varivel.

61

O sistema de medida de Efeito Hall com temperatura varivel utilizado foi

desenvolvido no Laboratrio de Microeletrnica para operar junto com um criostato. O

campo magntico gerado por um eletrom acoplado parte superior deste criostato. A

figura 4.13 mostra uma viso do sistema de medidas de Efeito Hall em baixas temperaturas.

A temperatura varrida pelo criostato que funciona com ciclo fechado de He, com o

qual se consegue atingir a temperatura de 12K. Para se manter a temperatura em qualquer

valor entre 12K a 300K, usada uma resistncia aquecedora, cuja potncia administrada

por um controlador eletrnico N1100, e a temperatura real obtida atravs da medida de

tenso sobre um diodo de Si percorrido por uma corrente, que possui seus valores tabelados

pelo fabricante.

Para obter dados confiveis necessrio que o suporte no qual est fixo o diodo

esteja na mesma temperatura da amostra. A figura 4.14 mostra a foto do suporte de amostra

do sistema.

Fig. 4.14 Foto do suporte de amostras, mostrando a amostra, a resistncia aquecedora e o diodo de controle de temperatura.

62

O sentido do campo magntico gerado pelo eletrom e as permutaes entre os

contatos ABCD da amostra, que determina os contatos para circular a corrente e medir a

tenso so controlados pelo mdulo central, composto pela matriz de chaveamento e pelo

controlador do eletrom, ambos controlados via software.

Depois de realizada a medida, o software seleciona outro valor de temperatura e o

processo se repete. Com este sistema automatizado se consegue medidas de Efeito Hall

com temperaturas entre 12 e 300K e intervalo de 2K em aproximadamente 16 horas.

63

Captulo 5 Estudo da isolao de InP irradiado com ons

5.1 Introduo

O aumento da velocidade de transmisso de dados e o desenvolvimento explosivo

na rea de telecomunicaes estimulou pesquisas em optoeletrnica para altas freqncias.

O descobrimento de caractersticas de recombinao ultra-rpida de portadores em GaAs

crescido por epitaxia de feixe molecular (MBE molecular-beam epitaxy) com o substrato

em baixa temperatura (LT-GaAs)[30] criou uma nova rea de pesquisa em compostos

semicondutores III-V no-estequiomtricos. Isto se deve ao fato que o LT-GaAs possui

caractersticas superiores, como curto tempo de vida, alta resistividade (~105 cm) e alta

mobilidade de eltrons. Trabalhos anteriores j mostraram que a implantao de ons em

GaAs pode resultar em um material com caractersticas similares a LT-GaAs [31], e, estudos

feitos em LT-GaAs levaram a concluso que o alto excesso de arsnio na forma de defeitos

de anti-stios e As precipitado so a principal razo para alta resistividade e rpida

recombinao dos portadores.

Estes resultados estimularam o estudo do LT-InP [32], pois InP possui aplicaes

notveis como substrato para dispositivos de comunicao por fibra ptica de alta

freqncia e de alta potncia, devido a propriedades eltricas como alta mobilidade de

eltrons e alta rigidez dieltrica. Foi encontrado[32] que camadas epitaxiais de LT-InP eram

condutivas e que os defeitos de nvel profundo intrnsecos dominantes estavam presentes

em concentraes superiores a 1019cm-3.

Os defeitos de anti-stios em compostos III-V foram bastante estudados, e

particularmente em GaAs os defeitos de anti-stios so responsveis pelo comportamento

semi-isolante [17]. Em InP, a presena destes defeitos tem um carter diferente, alguns deles

64

criando portadores livres tipo-n [32]. Os mecanismos responsveis pela condutividade tipo-n

foram atribudos a abundante presena de anti-stios de PIn com nvel de energia acima do

mnimo da banda de conduo, introduzido durante o crescimento no-estequiomtrico a

baixa temperatura[33], criando eltrons livres.

Nesta parte do trabalho foram investigados estes efeitos usando medidas de efeito

Hall com temperatura varivel em InP tipo-p e semi-isolante, implantado com ons P+,

criando um excesso de tomos de fsforo no material e induzindo a formao dos defeitos

de anti-stios PIn mencionados.

5.2 Preparao das amostras

Dois conjuntos de amostras foram preparados para esta parte do trabalho. O

primeiro conjunto consistiu de um substrato semi-isolante (1 0 0) no qual foi crescida uma

camada epitaxial tipo-p (dopante Mg) com concentrao de 1,3x1018cm-3 de

aproximadamente 1,5m de espessura por MOCVD (metal-organic chemical-vapor

deposition). Posteriormente as amostras foram implantadas a 200C, com ons P+ a 1MeV,

com doses entre 1x1014 e 1x1015cm-2.

O segundo conjunto consistia de amostras de InP semi-isolante com mltiplas

implantaes de P+, onde se obteve uma forma de plat no perfil da concentrao (obtido

atravs do simulador TRIM [18]) que se estendia da superfcie at uma profundidade de

0,6m, cujas doses e energias de implantao usadas so mostradas na tabela 5.1. Todas as

implantaes foram realizadas a 200C com uma inclinao de 7 entre a direo do feixe

incidente e o eixo normal superfcie da amostra, minimizando os efeitos de canalizao.

Os passos de implantao foram feitos seqencialmente da maior at a menor energia. Aps

65

isso as amostras foram recozidas em RTA a 400, 450, 500, 550 e 600C por 30s em

atmosfera de Ar.

Tab.5.1. Parmetros de implantao de P+ para o segundo conjunto de amostras (SI-InP)

Energia [KeV] 400 130 30

Dose [cm-2] 2x1015 1x1015 3x1014

Todas as amostras foram preparadas como estruturas de Van der Pauw com a

colocao de contatos de In nos 4 cantos da amostra e aquecidas a 200C durante 2 min em

ambiente normal para sinterizao. Foram realizadas medidas de efeito Hall em

temperatura ambiente e com temperatura varivel para determinar nveis de energia de

defeitos e compreender os mecanismos de transporte de portadores.

5.3 Resultados e discusso

A figura 5.2 mostra a distribuio de fsforo implantado simulado com TRIM em

amostras tipo-p (fig 5.2(a)) e em amostras semi-isolantes (fig 5.2(b)). Em amostras tipo-p

para o caso de dose de implantao de 7,4x1014cm-2, mostrado na figura 5.2(a), o excesso

de P ~1x1019cm-3 e em SI-InP uma forma de plat no perfil de concentrao se estende da

superfcie at uma profundidade de 0,6m, que foi formada com concentrao de excesso

de P entre 4-8x1019cm-3.

A concentrao de portadores livres, mobilidade e resistncia de folha em amostras

tipo-p implantadas com diferentes doses de P+ e recozidas em ambiente de Ar a 500C por

30s, mostrada na tabela 5.2. Pode-se ver que todas amostras permanecem levemente tipo-

p (ps~3-9x109cm-2), a mobilidade efetiva no baixa ( ~ 300-400cm2V-1s-1), e a

resistncia de folha na ordem de M/sq. Assim, no intervalo de doses estudado, a

66

implantao seguida de recozimento trmico compensou o material tipo-p e uma alta

resistncia de folha foi medida. Medidas de efeito Hall com temperatura varivel

mostraram o nvel de Fermi em 0,310,02eV acima da banda de valncia (fig. 5.3).

0 5000 10000 15000 200001016

1017

1018

1019

1020

Profundidade [A]

b)

1015

1016

1017

1018

1019

1020

SI InP

SI InPInP tipo-p

conc

entra

o

de e

xces

so d

e P

[cm

-3]

p-type carriers conc.

a)

Fig. 5.2 Simulao da concentrao de excesso de fsforo em (a) InP tipo-p implantado com P+, energia de 1MeV e dose de 7,4x1014 e, (b) SI-InP (veja tabela 5.1)

67

Tab.5.2. Concentrao de folha de portadores (ps), mobilidade() e resistncia de folha de fsforo implantado em InP tipo-p aps RTA a 500C em Ar por 30s.

Amostra Dose [cm-2] ps [cm-2] [cm2 V- Rs[/sq] InP_1 1,0 x1014 4,1 x109 356 4,2 x106 InP_2 3,0x1014 2,7 x109 430 5,2 x106 InP_3 5,0 x1014 4,0 x109 335 4,6 x106 InP_4 7,4 x1014 6,4 x109 331 2,9 x106 InP_5 1,0 x1015 9,5 x109 280 2,3 x106

3,6 3,8 4,05x108

109

1,5x109

2x109

2,5x1093x109

E = 0,31 0,02eV

sample InP_4

Ps [

cm-2]

1000/T [K-1]

Fig. 5.3. Concentrao de folha de portadores como funo da temperatura de amostra de InP tipo-p com implantao de P+, com dose de 7,4x1014cm-2 e energia de 1MeV.

Foi publicado [33] que defeitos PIn tem dois nveis doadores dominantes: (0/+) e

(+/++), com nveis de energia de 0.11eV acima e 0.23eV abaixo do mnimo da banda de

conduo, respectivamente. A resistncia de folha relativamente baixa aps a isolao

completa do InP tipo-n bombardeada por prton provavelmente [14,21] devido a auto-

68

ionizao dos anti-stios PIn, via excitao do nvel (0/+). Defeitos de anti-stios no GaAs

so responsveis pelo comportamento semi-isolante como ser visto no prximo captulo,

mas no InP a presena destes defeitos tem um carter diferente, funcionando ou como

armadilhas, ou como doadores auto-ionizantes, dependendo da posio do nvel de energia

[34]. Bombardeando o material tipo-p as lacunas so armadilhadas pelos anti-sitios PIn no

estado de carga (+/++), ou so compensadas com eltrons criados via auto-ionizao dos

anti-stios PIn no estado de carga (0/+). Para a isolao de InP tipo-n o aprisionamento de

eltrons nos anti-stios InP compete com a criao de eltrons livres via auto-ionizao dos

anti-stios PIn no estado de carga (0/+)[21].

Foram investigadas mudanas no InP semi-isolante implantado com P+ e recozido

em temperaturas entre 400 e 600C para provar a criao destes portadores livres citados

acima, pois recozimentos em alta temperatura (600C) so necessrios para remover

defeitos introduzidos durante a implantao[35], resultando assim em um material com alta

mobilidade, alta concentrao de folha de portadores, e baixa resistividade.

Na figura 5.4 so mostrados os resultados de medidas de Efeito Hall em temperatura

ambiente para amostras de InP semi-isolante implantadas com P+ e recozidas a 400, 450,

500, 550 e 600C, onde se observa que a mobilidade aumenta a partir dos 450C, devido a

dissoluo e/ou aniquilao dos defeitos complexos eletricamente ativos. A concentrao

de folha de portadores livres, mostrada na figura 5.4(b), tem um aumento significativo a

partir dos 400C, indicando a presena de nveis doadores rasos[35], que foi atribudo a

ativao dos defeitos de anti-sitio PIn, atingindo uma saturao entre 500 e 550C,

correspondendo a uma diminuio na resistncia de folha, (ver figura 5.4(c)).

69

400 450 500 550 600101

102

103

104

105

106

107

c)

Temperatura de recozimento [OC]

Rs [

/sq]

1010

1011

1012

1013

1014

b)

n s

[cm

-2]

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

a)

[cm

2 V-1s-

1 ]

Fig. 5.4 Mobilidade(a), concentrao de folha de portadores(b) e resistncia de folha(c) como funo da temperatura de recozimento de amostras de SI-InP irradiadas com P+.

70

Para se produzir SI-InP, necessrio introduzir uma certa concentrao de Fe

durante o crescimento, que serve como armadilha para os portadores livres, devido a

impurezas.

Uma possvel causa da criao dos portadores livres durante a implantao poderia

ser a desativao do Fe[35] (que tem o papel de compensar a inevitvel formao de

doadores rasos no substrato durante crescimento do SI-InP), permitindo aos doadores

reativar e contribuir para a grande concentrao de folha de portadores. A concentrao

tpica de dopagem de Fe de 1x1016cm-3, isto resulta em uma concentrao de folha de

6x1011cm-2 na espessura de 0.6m da camada implantada de SI-InP. Assim, mesmo se

todos os centros de Fe fossem desativados, o mximo aumento em ns que poderia ser

conseguido por este mecanismo na ordem de 6x1011cm-2. Pode ser visto que recozimentos

em temperaturas maiores que 500C, a concentrao de folha(ns) atinge valores de 1013cm-2.

Disso pode-se concluir que esses nveis de doadores rasos no so criados por desativao

de Fe, mas sim por excesso de fsforo e defeitos na estrutura do prprio cristal, como um

resultado dos processos de implantao e recozimento.

A figura 5.5 apresenta os resultados das medidas de efeito Hall com temperatura

varivel para as amostras da figura 5.4, com temperatura de recozimento de 500, 550 e

600C. A alta mobilidade (fig. 5.5(a)) para a amostra recozida a 600C devido ao

recozimento dos defeitos complexos eletricamente ativos. Para amostras recozidas a 500C

se observa um aumento contnuo na mobilidade, caracterizando a presena de centros de

espalhamento Coulombianos, os quais deslocam a mobilidade mxima para temperaturas

superiores a 300K. No grfico da dependncia da concentrao de folha com a temperatura,

mostrado na fig. 5.5(b), se observa um pequeno aumento em ns da amostra recozida a

500C, caracterizando mudana de estado de carga do anti-sitio PIn. A baixa resistncia de

71

folha para a amostra recozida em 600C (100/sq), mostrada na figura 5.5(c)

conseqncia de altas ns e .

0 50 100 150 200 250 300101

102

103

Temperatura [K]

R

s [

/sq]

1013

5x1013

1014

n s

[cm

-2]

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

c)

b)

a)

[cm

2 V-1s-

1 ]

500 OC 550 OC 600 OC

Fig. 5.5. Mobilidade (a), concentrao de folha de portadores (b) e resistncia de folha (c) como funo da temperatura para amostras de SI-InP com mltiplas implantaes de P+ (ver tab 5.1) a 200C.

72

Na figura 5.6 mostrado um grfico da concentrao de folha de portadores tipo-n

em funo da temperatura. A linha tracejada fornece a energia de ativao do nvel

responsvel pela variao da concentrao de portadores de folha a 300K. O valor obtido

EA = 0,400,02eV abaixo do fundo da banda de conduo.

0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,0101013

1,2x1013

1,4x1013

1,6x1013

1,8x1013

2x1013

Ea=0,400,02eV

n s [c

m-2]

1/T [K-1] Fig. 5.6 Concentrao de folha de portadores como funo da temperatura da amostra de SI-InP com mltiplas implantaes de P+ recozida em ambiente de Ar a 500C por 30s.

Resumindo os trabalhos deste captulo, podemos notar as diferenas entre isolao

de InP tipo-p e tipo-n. A existncia do nvel de anti-stio PIn (0/+) dentro da banda de

conduo provoca esta diferena (fig 5.7).

Fig. 5.7. Configurao energtica do anti-stio PIn[33].

73

Para amostras tipo-p existem dois mecanismos responsveis pela diminuio das

lacunas livres: (a) captura pelos defeitos PIn (+/++) e (b) compensao pelos eltrons

criados via auto-ionizao dos defeitos PIn (0/+).

Para amostras tipo-n, no se consegue isolao maior do que Rs ~105/sq, por causa

da competio entre a isolao pelos anti-stios InP e a criao de mais eltrons livres pelos

defeitos PIn (0/+).

74

Captulo 6 Isolao de camadas tipo-p em GaAs com feixe de He+

6.1 Introduo

A miniaturizao dos dispositivos semicondutores e circuitos integrados leva ao

aumento da sua velocidade, diminuio da potncia consumida e maior nmero de funes

implementadas por unidade de rea. Porm, os limites desta miniaturizao dependem de

pesquisas na rea de cincia dos materiais, crescimento e processos. Quando tomos

dopantes so confinados em uma ou poucas monocamadas, consegue-se a miniaturizao

limite em uma dimenso. Este estreito perfil de dopantes pode ser descrito

matematicamente pela funo delta de Dirac, assim, estruturas semicondutoras com esta

distribuio so denominados estruturas semicondutoras com camada -dopante [36].

As camadas esto sendo muito estudadas devido sua aplicabilidade em

microeletrnica, para dispositivos optoeletrnicos e circuitos integrados de alta

performance.

Nesta parte do trabalho foi investigada a isolao de camadas tipo-p em GaAs

atravs de bombardeamento com feixe de He+, analisando a resistncia de folha da amostra

in-situ como funo da dose implantada, e a estabilidade trmica das amostras

implantadas com diferentes doses, para o entendimento dos processos fsicos envolvidos.

6.2 Preparao das amostras

As amostras utilizadas para este estudo so compostas de um substrato de GaAs

semi-isolante (100), no qual foi crescido por de MOCVD uma camada de SI-GaAs de

0,15m, ento o crescimento foi interrompido para a deposio do dopante carbono,

75

formando a camada , e na seqncia o crescimento de SI-GaAs foi retomado, crescendo

mais 0,15m.

Larguras na distribuio do dopante maiores que poucas monocamadas podem ser

conseqncia de rugosidade na superfcie do cristal durante a deposio do dopante,

difuso trmica do dopante durante o crescimento e/ou segregao dos tomos do dopante

com o material recm crescido [37]. A figura 6.1 faz uma ilustrao de uma amostra de

GaAs crescida por MOCVD com camada tipo-p de carbono.

Fig. 6.1. Ilustrao de um cristal de SI-GaAs com camada dopante crescida por MOCVD.

Foram feitas oito amostras com diferentes concentraes de dopantes. Aps o

crescimento as amostras foram clivadas em quadrados de 6mm de lado para a preparao

de estruturas Van der Pauw, com a colocao de contatos de In nos cantos da amostra

(como mostra a figura 6.2(a)) e aquecidas a 200C por 2 minutos para fazer a sinterizao

As amostras para medidas de isolao foram clivadas em retngulos de 6mm x 3mm

e contatos de In foram colocados nas duas extremidades menores da amostra, como se pode

ver na figura 6.2(b). Um corte longitudinal mostrado na figura 6.2(c).

76

Fig 6.2. Estrutura de GaAs com camada condutiva preparada como estruturas de Van der Pauw (a), resistor para medidas de isolao (b) e vista de um corte longitudinal (c).

Foram realizadas medidas de Efeito Hall em temperatura ambiente para determinar

a mobilidade efetiva (), resistncia (Rs) e concentrao de folha (ps) dos portadores livres

de cada amostra.

Para isolao todas foram colocadas na cmara de implantao com uma inclinao

de 7 em relao ao feixe incidente para evitar efeitos de canalizao.

6.3 Caracterizao das amostras crescidas

A tabela 6.1 mostra os resultados das medidas de Efeito Hall em temperatura

ambiente. As amostras so tipo-p com ps entre 3,54x1011 e 1,58x1014cm-2, mobilidade entre

214 e 84 cm2/Vs e resistncia de folha entre 82,4K/sq e 472/sq.

77

1E13

1E14

0

50

100

150

200

250

0 50 100 150 200 250 3000

500

1000

1500

2000

2500

3000

Temperatura [K]

c)

b)

Rs [

/sq]

[c

m2 /

Vs]

p s [c

m-2]

3 - 1,05E13 4 - 1,50E13 5 - 4,24E13 8 - 1,58E13

a)

Fig 6.3. Concentrao de folha (a), mobilidade efetiva (b) e resistncia de folha(c) de amostras de GaAs com camadas condutivas tipo-p.

78

Tab.6.1. Resistncia de folha, concentrao de folha de portadores livres e mobilidade obtidas atravs de medidas de Efeito Hall em temperatura ambiente para cada uma das 8 amostras analisadas.

Medidas de efeito Hall com temperatura varivel foram feitas com algumas

amostras, e os dados so mostrados na figura 6.3.

A concentrao de folha de portadores livres (figura 6.3(a)) apresenta uma

diminuio desprezvel para baixas temperaturas. A dependncia da mobilidade com a

temperatura (figura 6.3(b)) mostra caractersticas de um gs bidimensional com o valor

mximo em 12K. O aumento na resistncia de folha mostrado na figura 6.3(c) coincide com

a diminuio no valor da mobilidade.

6.4 Isolao

As implantaes para isolao foram feitas com energia de 80KeV. Esta energia de

implantao foi selecionada para colocar o pico da concentrao de defeitos no substrato.

Na figura 6.4 pode-se ver o perfil de concentrao de defeitos em funo da energia de

implantao de He+, simulados pelo software TRIM.

amostra Resistncia de

folha Rs [/sq]

Concentrao de folha ps [cm-2]

Mobilidade efetiva

[cm2/Vs] 1 82406 3,54x1011 214

2 13600 2,34x1012 196

3 3120 1,05x1013 190

4 2470 1,50x1013 169

5 1265 4,24x1013 116

6 791 8,09x1013 98

7 670 1,19 x1014 78

8 472 1,58 x1014 84

79

0 2000 4000 6000 8000 100000

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

8x105

9x105

20KeV

160KeV80KeV

30KeV

Profundidade [ngstrons]

Den

sida

de d

e de

feito

s (u

nida

de a

rbitr

ria

) camadacondutiva

Fig. 6.4. Perfil da concentrao de defeitos em amostras de GaAs com camada para energias de implantao de 20, 30, 80 e 160KeV simuladas atravs do TRIM.

Foram isoladas in-situ as oito amostras da tabela 6.1 com energia de 80KeV e o

comportamento da resistncia de folha em funo da dose implantada pode ser visto na

figura 6.5. A implantao cria defeitos com nveis de energia no interior da banda proibida,

que alm de limitar a mobilidade, funcionam como armadilhas para os portadores [15],

aumentando o valor de Rs. Analisando o grfico, o alto valor inicial de Rs para as amostras

1 e 2 devido aos baixos valores de ps. Pode-se observar 4 regies distintas nas curvas 1 e

2: a regio de baixas doses, a regio onde ocorre um notvel aumento em Rs, a regio do

plat em Rs e a regio de hopping.

Fica