[논문 리뷰] Absence of an intrinsic value for the surface recombination velocity in doped semiconductors

Fabian Cadiz, D. Paget외 5명|arXiv (Cornell University)|2013. 02. 13.

Semiconductor Quantum Structures and Devices참고 문헌 35인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 도핑된 반도체(n형 또는 p형, 도핑 농도 >10¹⁶ cm⁻³)에서 표면 재결합 속도(S)는 본질적인 물질 성질이 아니며, 페르미 준위의 해제로 인해 빛 조사 강도에 따라 강하게 의존한다는 것을 입증한다. 자기 일관성 있는 모델과 산화된 표면에서의 극도로 미세한 발광 실험을 통해, 산화된 표면에서는 S가 거듭제곱 법칙에 따라 감소하고, 피assivation된 표면에서는 S⁻¹이 로그적으로 변화함을 보여, 다양한 조사 강도에서 통합된 S 값이 존재하지 않음을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 도핑된 반도체에서 표면 재결합 속도(S)가 본질적인 물질 성질인지 실험 조건에 따라 달라지는지 오랫동안 애매하게 여겨진 문제를 해결하기 위해.
• S가 빛 조사 강도(P), 표면 결함 농도, 그리고 양성자 및 음성자 반도체의 기초 도핑 농도와 연결된 자기 일관성 있는 이론적 모델을 개발하기 위해.
• 다양한 표면 처리를 한 p형 GaAs 필름에서 새로운 극도로 미세한 발광 기법을 사용하여 모델을 실험적으로 검증하기 위해.
• S의 변화가 발생하는 물리적 기원을 밝히기 위해, 페르미 준위의 해제와 내재된 재결합 속도의 변화를 구분하기 위해.
• 이전에 보고된 S 값들이 특정 조사 강도에서만 유효하며 일반화될 수 없다는 것을 입증하기 위해.

제안 방법

• 전류 보존과 전하 중성 조건을 사용하여 S(P)에 대한 자기 일관성 있는 해석적 표현을 유도하며, 광생성 실체의 주입과 쇼트키 전류 균형을 고려한다.
• Stevenson-Keyes 재결합 모델을 적용하여 표면 재결합 전류를 계산하며, 표면 결함 농도(NT(ε)), 포착 단면적(σn, σp), 열속도(νn, νp)를 포함한다.
• 조사 강도에 따라 표면 전압(qVs)과 표면 장벽(φb)을 함수로 모델링하며, 소수성 실체의 표면 근처 축적에 의해 유도되는 페르미 준위의 해제를 고려한다.
• 강하게 집중된 조사 조건을 사용한 극도로 미세한 발광 기법을 통해 국소 발광을 맵핑하고, 공간적으로 분해된 강도 프로파일에서 S를 추출한다.
• 두 가지 표면 조건에 대한 이론적 예측인 자연 산화 표면(S ∝ P⁻α)과 피assivation 표면(S⁻¹ ∝ ln(P))을 실험 데이터와 비교한다.
• 다양한 조사 강도와 표면 상태에서 실험적 S 값을 피팅하여 모델을 검증하였으며, 뛰어난 일치를 보였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 도핑된 반도체에서 표면 재결합 속도 S는 다양한 빛 조사 강도에서 일정한가, 아니면 본질적으로 강도에 따라 달라지는가?
• RQ2 관측된 S의 강도 의존성의 물리적 기원은 무엇인가—특히 이는 내재된 재결합 속도의 변화인지, 아니면 페르미 준위의 해제 때문인가?
• RQ3 표면 피assivation 또는 산화 처리가 S(P)의 기능 형태에 어떻게 영향을 미치며, 이를 통합된 이론적 모델로 기록할 수 있는가?
• RQ4 단일의 보편적인 S 값이 반도체 표면에 할당될 수 있는가, 아니면 S는 조건 의존적이며 따라서 기본 물질 파rameter가 아니며?
• RQ5 표면 결함 농도와 기초 도핑 수준이 S에 어떤 영향을 미치며, 이러한 영향은 강도 의존성에 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• 표면 재결합 속도 S는 본질적인 물질 성질이 아니며, 실험적으로 접근 가능한 전체 범위에서 빛 조사 강도에 따라 강하게 변한다.
• 자연 산화된 GaAs 표면에서는 조사 강도가 증가함에 따라 S가 거듭제곱 법칙에 따라 감소하며, 이 지수는 표면 결함 농도에 따라 달라진다.
• 피assivation된 GaAs(예: GaInP 캡핑)에서는 S⁻¹이 조사 강도에 대해 로그적으로 변화함을 보여, 소수성 실체의 축적이 지배하는 별개의 재결합 영역임을 시사한다.
• 관측된 S의 강도 의존성은 내재된 재결합 속도의 변화가 아니라 광생성 실체에 의해 유도되는 페르미 준위의 해제 때문임이 주로 원인이다.
• 표면 결함 농도가 10% 감소하기만 해도 S가 크게 감소할 수 있으며, 이는 미세한 피assivation이 재결합 동역학에 큰 영향을 미친다는 것을 보여준다.
• 보편적 또는 본질적인 S 값은 존재하지 않으며, 모든 S 값은 측정된 특정 조사 강도에서만 유효하다.