[论文解读] 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 15

一句话总结

该论文表明，在掺杂半导体（n型或p型，掺杂浓度 >10¹⁶ cm⁻³）中，表面复合速度（S）并非材料的本征性质，而是强烈依赖于光激发功率，原因在于费米能级解钉扎。通过自洽模型和对GaAs的偏振微光致发光实验，证明氧化表面的S随激发功率呈幂律下降，而钝化表面的S⁻¹则呈对数变化，从而证明在不同激发功率下不存在普遍适用的S值。

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.

研究动机与目标

• 解决长期以来关于表面复合速度（S）是否为本征性质，还是在掺杂半导体中依赖于实验条件的争议。
• 建立一个自洽的理论模型，将S与光激发功率（P）、表面缺陷态密度及体掺杂浓度在p型和n型半导体中的关系联系起来。
• 通过在不同表面处理的p型GaAs薄膜上采用新型偏振微光致发光技术，对模型进行实验验证。
• 阐明S变化的物理起源，区分费米能级解钉扎与本征复合速度变化的影响。
• 证明先前报道的S值仅在特定激发功率下有效，无法推广至其他条件。

提出的方法

• 基于电流守恒和电荷中性条件，推导出S(P)的自洽解析表达式，考虑光生载流子注入与肖特基电流平衡。
• 应用Stevenson-Keyes复合模型计算表面复合电流，包含表面缺陷态密度（NT(ε)）、捕获截面（σn, σp）及热速度（νn, νp）。
• 将光生电压（qVs）和表面势垒（φb）建模为激发功率的函数，其中费米能级解钉扎由表面附近少数载流子积累引起。
• 采用聚焦紧密的偏振微光致发光技术，测绘局部光致发光并从空间分辨强度分布中提取S。
• 将理论预测的两种表面状态下的S(P)函数形式（自然氧化：S ∝ P⁻α；钝化：S⁻¹ ∝ ln(P)）与实验数据对比。
• 通过在不同激发功率和表面态条件下拟合实验测得的S值，验证模型，结果与理论预测高度一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 在掺杂半导体中，表面复合速度S是否在不同光激发功率下保持恒定，还是本质上具有功率依赖性？
• RQ2 S的观测功率依赖性的物理起源是什么——具体而言，是由于本征复合速度变化，还是费米能级解钉扎？
• RQ3 表面钝化或氧化如何改变S(P)的函数形式？能否通过统一的理论模型加以描述？
• RQ4 能否为半导体表面指定一个单一的、普遍适用的S值，还是S具有条件依赖性，因而不能作为基本材料参数？
• RQ5 表面缺陷态密度和体掺杂浓度在多大程度上影响S？这些效应在功率依赖性中如何体现？

主要发现

• 表面复合速度S并非本征材料性质，而是在整个可实验范围内强烈依赖于光激发功率。
• 对于自然氧化的GaAs表面，S随激发功率增加呈幂律下降，幂指数取决于表面缺陷态密度。
• 对于钝化的GaAs（如GaInP覆盖层），S⁻¹随激发功率呈对数变化，表明存在由少数载流子积累主导的显著不同复合机制。
• S的观测功率依赖性主要源于光生载流子引起的费米能级解钉扎，而非本征复合速度的变化。
• 表面缺陷态密度降低10%可导致S显著下降，表明微小的钝化即可对复合动力学产生重大影响。
• 无法确定S的普遍或本征值；所有S值仅在特定激发功率下测量时有效。