[論文レビュー] Absence of an intrinsic value for the surface recombination velocity in doped semiconductors

Fabian Cadiz, D. Paget+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2013

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 35被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、ドーピング濃度が10¹⁶ cm⁻³を超えるn型またはp型半導体における表面再結合速度（S）が、フェルミ準位のアンピンニングによって光励起強度に強く依存するため、物性としての固有性を持たないことを示している。自己一貫したモデルと酸化表面および被覆表面における偏光マイクロルミネッセンス実験を用い、酸化表面ではSがべき乗則に従って減少し、被覆表面ではS⁻¹が対数的に変化することを明らかにした。これにより、励起パワーに依存しない普遍的なS値は存在しないことが証明された。

ABSTRACT

A self-consistent expression for the surface recombination velocity $S$ and the surface Fermi level unpinning energy as a function of light excitation power ($P$) is presented for n- and p-type semiconductors doped above the 10$^{16}$ cm$^{-3}$ range. Measurements of $S$ on p-type GaAs films using a novel polarized microluminescence technique are used to illustrate two limiting cases of the model. For a naturally oxidized surface $S$ is described by a power law in $P$ whereas for a passivated surface $S^{-1}$ varies logarithmically with $P$. Furthermore, the variation in $S$ with surface state density and bulk doping level is found to be the result of Fermi level unpinning rather than a change in the intrinsic surface recombination velocity. It is concluded that $S$ depends on $P$ throughout the experimentally accessible range of excitation powers and therefore that no instrinsic value can be determined. Previously reported values of $S$ on a range of semiconducting materials are thus only valid for a specific excitation power.

研究の動機と目的

• ドーピング半導体における表面再結合速度（S）が、実験的条件に依存するのか、それとも物性としての固有性を持つのかという長年の曖昧さを解消すること。
• p型およびn型半導体における光励起強度（P）、表面状態密度、およびバルクドーピングを関係づける自己一貫した理論的モデルを構築すること。
• 異なる表面処理を施したp型GaAs膜を用いた新規な偏光マイクロルミネッセンス技術を用いて、モデルの実験的妥当性を検証すること。
• Sの変動の物理的起源を、フェルミ準位のアンピンニングと内在的再結合速度の変化の両者と区別すること。
• 従来報告されたS値が特定の励起パワーでのみ有効であり、一般化できないことを示すこと。

提案手法

• 電流保存則と電荷中性条件を用いて、光励起キャリアの注入とショットキー電流のバランスを考慮したS(P)の自己一貫した解析的表現を導出する。
• スティーブンソン＝キース再結合モデルを適用し、表面欠陥密度（NT(ε)）、捕獲断面積（σn, σp）、および熱速度（νn, νp）を組み込む。
• 励起強度に応じた光起電力（qVs）および表面障壁（φb）をモデル化し、少数キャリアの表面近傍への蓄積によって引き起こされるフェルミ準位のアンピンニングを考慮する。
• 高精度に焦点を合わせた励起を用いた偏光マイクロルミネッセンス技術を用い、空間的に分解された強度プロファイルからSを抽出する。
• 自然酸化表面（S ∝ P⁻α）と被覆表面（S⁻¹ ∝ ln(P)）の両条件について、理論的予測と実験データを比較する。
• 広い励起パワー範囲および表面状態の多様性において、実験的S値を理論モデルにフィットさせ、良好な一致を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドーピング半導体における表面再結合速度Sは、異なる光励起強度においても一定であるのか、それとも本質的に強度依存性を示すのか？
• RQ2 観測されたSの強度依存性の物理的起源は何か。具体的には、これは内在的再結合速度の変化によるものか、フェルミ準位のアンピンニングによるものか？
• RQ3 表面の被覆または酸化がS(P)の関数的形にどのように影響を及ぼし、統一された理論的モデルで捉えることができるか？
• RQ4 半導体表面に対して一意の普遍的S値を割り当てることができるのか、それともSは状態依存的であり、したがって基本的物性パrameterではないのか？
• RQ5 表面状態密度およびバルクドーピングレベルがSに及ぼす影響はどの程度で、これらの効果は強度依存性にどのように現れるのか？

主な発見

• 表面再結合速度Sは物性としての固有性を持たず、実験的に測定可能な全範囲において光励起強度に強く依存する。
• 自然酸化GaAs表面では、励起強度が増加するに従いSがべき乗則に従って減少し、その指数は表面状態密度に依存する。
• 被覆されたGaAs（例：GaInP被覆）では、S⁻¹が励起強度に対して対数的に変化し、少数キャリアの蓄積が支配的である別個の再結合状態を示している。
• 観測されたSの強度依存性は、主に光励起キャリアによるフェルミ準位のアンピンニングに起因しており、内在的再結合速度の変化とは無関係である。
• 表面状態密度を10%低減するだけでSが顕著に減少することが示され、微小な被覆処理が再結合キネティクスに大きな影響を与えることを示している。
• 普遍的または固有のS値は存在せず、すべてのS値は測定された特定の励起強度でのみ有効である。