Isolação elétrica por implantação iônica em GaAs e AlGaAs

Abstract

O processo de isolação elétrica por implantação de prótons é estudado para os casos do semicondutor GaAs e de estruturas DBR - Distributed Bragg Reflectors - de AlGaAs. A obtenção da energia crítica de implantação em camadas DBR de dispositivos VCSELs, Vertical Cavity Surface Emmiting Lasers, é exemplificada. Medidas da evolução da resistência destas estruturas com a dose de prótons irradiada, tanto para amostras tipo-n quanto para tipo-p, revelaram comportamentos qualitativamente semelhantes para os transportes eletrônicos paralelo e perpendicular às heterojunções. O mesmo valor de dose de limiar para isolação pode ser usado em ambos os casos. A estabilidade térmica da isolação de camadas DBR é estimada em ~150oC. O uso de um modelo simples de conservação de carga é sugerido para a simulação do processo de isolação por implantação em semicondutores, empregando como entrada a distribuição de níveis introduzidos pela irradiação. A comparação dos resultados dessa simulação com dados experimentais para o caso específico do GaAs revela que os modelos de defeitos previamente associados a antisítios na literatura não são suficientes para descrever a isolação. Os dados obtidos até então sobre a estrutura de níveis introduzida pela implantação com prótons também não reproduzem completamente o comportamento observado. Um sistema para medidas de Espectroscopia de Transientes de Níveis Profundos (DLTS) foi desenvolvido para a realização de experimentos visando identificar os níveis responsáveis pela isolação e determinar seus parâmetros relevantes. Quatro contribuições principais foram observadas em GaAs tipo-n (n1, n2, n3 e n4) implantado com prótons, e outras cinco para GaAs tipo-p (p1, p2, p3, p4 e p5). O nível p1, com energia aparente de 0,05 eV e secção de choque de captura de lacunas de 1x10-16 cm2, havia sido identificado previamente em amostras irradiadas com elétrons, mas pela primeira vez foi medido em amostras GaAs tipo-p implantadas com prótons. Medidas de variação de taxas de emissão com o campo elétrico foram realizadas em n1, n2, n3, p1, p2 e p3. O efeito Poole-Frenkel foi identificado como o responsável pelo comportamento observado em p2. Já para n3 e n1, mostrou-se que o responsável é o efeito de tunelamento auxiliado por fônons. O nível p3 não apresentou variação considerável em sua taxa de emissão com o campo; enquanto que os níveis n2 e p1revelaram comportamentos que indicam a presença de ambos os efeitos (Poole-Frenkel e tunelamento auxiliado por fônons). Esses dados, combinados com informações sobre as taxas de introdução obtidas a partir dos espectros DLTS, nos levam a parâmetros para os defeitos introduzidos pela implantação que conseguem descrever, de maneira aceitável, a curva de isolação experimental para doses menores que aproximadamente o dobro da dose de limiar, sugerindo que vacâncias de arsênio e anti-sítios de GaAs desempenhem um papel importante nesta etapa do processo.

The electrical isolation by proton implantation process is studied for the specific cases of AlGaAs Distributed Bragg Reflectors (DBR) and bulk GaAs. The critical implant energy evaluation is exemplified for AlGaAs DBR layers on Vertical Cavity Surface Emmiting Lasers devices. Sheet resistance measurements as a function of the proton fluence on both p-type and n-type samples presented similar behaviors for the electronic transports parallel and perpendicular to the heterojunctions. The same dose threshold value can be used in both cases. The DBR structures isolation thermal stability is estimated as ~150oC. A simple charge neutrality calculation is employed to simulate the implant isolation process in semiconductors using as input data on the deep levels introduced during irradiation. For the case of bulk GaAs, comparison between simulation results and experimental sheet resistance versus dose curves pointed out that models previously suggested for anti-site defects are not able, by their own, to reproduce the actual isolation behavior. Simulation using information previously obtained on proton implant related deep levels also didn’t reproduce the experimental curves. A Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) system was developed in order to properly identify the deep levels introduced by proton implantation and obtain the relevant parameters regarding each one of these levels. Four main contributions were measured in n-type proton bombarded GaAs (n1, n2, n3 and n4), and other five in p-type samples (p1, p2, p3, p4 and p5). p1 level, with 0.05 eV apparent energy and 1x10-16 cm2 apparent capture cross section, was measured for the first time in proton implanted GaAs. Electric field related emission rate enhancement measurements were carried out on n1, n2, n3, p1, p2 and p3. Poole-Frenkel effect was identified as the responsible for the behavior obtained for p2. Concerning the cases of n3 and n1, the effect responsible for the measured emission rate enhancement was found to be the phonon assisted tunneling. Level p3 presented no appreciable emission rate enhancement with the electric field, and levels n2 and p1 revealed behaviors pointing out the presence of both Poole-Frenkel and phonon assisted tunneling effects. Introduction rates of the measured levels were also obtained. All these data and other previous information on defects in proton bombarded GaAs could then be compiled together, producing a more complete and accurate input for the simulation, which leads to results reproducing the experimental curve in an acceptable manner for doses lower than twice the threshold value. This result points to a very active participation of As vacancies and GaAs in the GaAs implant isolation process.