journal-opt - abstr29-42

https://doi.org/10.15407/iopt.2022.57.029

Optoelectron. Semicond. Tech. 57, 29-42 (2022)

V. V. Tetyorkin, A. I. Tkachuk, A. T. Voroschenko, I. G. Lutsyshyn

InSb Photodiodes (Review. Part V)

The results of research on the recombination of non-equilibrium charge carriers in n-InSb single crystals are analyzed. It is shown that the Shockley-Reed-Hall recombination models described in the literature are unable to explain the experimental results obtained in single crystals of applied quality, which are used to create infrared photodiodes. The proposed model of recombination with the participation of two independent levels, one of which is an acceptor. The model is based on the results of experimental studies of the lifetime in n-type InSb obtained from measurements of photoconductivity relaxation under pulsed laser excitation in the temperature range of 77-250 K. For the measurements, n-type conductivity single crystals grown by Czochralski method and obtained from several sources were used. The concentration of charge carriers in the samples at a temperature of 77 K varied within 1014-1016 cm-3. The kinetics of photoconductivity was studied in n-InSb samples before and after the formation of diffused p+-n junctions. The diffusion temperature of the cadmium acceptor impurity varied between 380 and 420 0С. It is shown that in the samples after the formation of the p-n junction, the lifetime can be limited by the effect of the trapping of minority carriers to the acceptor level, which is located at a distance of 60 meV from the bottom of the conduction band. The model allows describing the dependence of lifetime on temperature and carrier concentration in the doping range of 1014 - 1016 cm-3. From the comparison of stationary and transient lifetime, conclusions are drawn regarding the existence of the effect of the trapping of minority carriers in the material of n-type conductivity, which is responsible for the excess tunnel current in photodiodes, generation-recombination and low-frequency 1/f noise. It is assumed that acceptor traps can be caused by the generation of dislocations during the formation of a diffused junction.

Keywords: InSb, Shockley-Reed-Hall recombination, acceptor trap, trapping of minority carriers.

PDF

References

1. Chroneos A., Tahini H.A., Schwingenschlögl U., Grime R.W. Antisites in III-V semiconductors: Density functional theory calculations. J. Appl. Phys. 2014. 116. P. 023505.

https://doi.org/10.1063/1.4887135

2. Tahini H.A., Chroneos A., Murphy S.T., Schwingenschlögl U., and Grimes R.W. Vacancies and defect levels in III-V semiconductors. J. Appl. Phys. 2014. 114. P. 063517.

https://doi.org/10.1063/1.4818484

3. Höglund A., Castleton C.W.M., Göthelid M., Johansson B., Mirbt S. Point defects on the (110) surfaces of InP, InAs, and InSb: A comparison with bulk. Phys. Rev. 2006. B74. P. 075332.

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.74.075332

4. Milnes A.G. Deep Impurities in Semiconductors. Wiley. 1973.

5. Madelung O. (Ed.) Semiconductors - Basic Data. Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York. 1996.

https://doi.org/10.1007/978-3-642-97675-9

6. Madelung O., Rössler U., Schulz M. (Eds.) Landolt-Börnstein - Group III Condensed Matter. Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology. 41A2b: Impurities and Defects in Group IV Elements, IV-IV and III-V Compounds. Part b: Group IV-IV and III-V Compounds. Springer. 2003.

https://doi.org/10.1007/b83098

7. Littler Ch. Characterization of impurities and defects in InSb and HgCdTe using novel magneto-optical techniques. Proc. SPIE. 1993. 2021. P. 184-201.

https://doi.org/10.1117/12.164943

8. Tetyorkin V.V., Sukach A.V., Tkachuk A.A. Infrared photodiodes on II-VI and III-V narrow gap semiconductors. In: Photodiodes - from Fundamentals to Applications. Ed. Prof. Ilgu Yun. Vienna: InTechopen. 2012. P. 403-426].

https://doi.org/10.5772/52930

9. Ehemberdyeva S.Sh., Luchynyn S.D., Saisenbaev T. і dr. Hlubokіe urovnі v zapreshchennoi zone antіmonіda іndyia. FTP. 1982. 16, №3. S. 540-542.

10. Sypovskaia M.A., Smetannykova Yu.S. Zavіsіmost vremeny zhіznі nosytelei toka v n-InSb ot kontsentratsіy еlektronov. FTP. 1984. 18, №2. S. 356-358.

11. Shepelіna O.S., Novototskyi-Vlasov Yu.F. Ravnovesnye parametry hlubokykh ob'emnykh urovnei v antymonyde indyia. FTP. 1992. 26, №6. S. 1015-1023.

12. Tryfonov V.Y., Yaremenko N.H. Hlubokyi donornyi uroven v n-InSb. FTP. 1971. 5, №5. S. 953-956.

13. Holovanov V.V., Odynh V.H. Vlyianye kompensatsyy hlubokoho urovnia na elektrycheskye svoistva p-InSb. FTP. 1969. 3, №2. S. 284-286.

14. Blaut-Blachev A.N., Yvleva V.S., Selianyna V.Y. Ftor - bыstro dyffundyruiushchyi aktseptor v antymonyde yndyia. FTP. 1979. 13, №11. S. 2288-2290.

15. Kevorkov M.N., Popkov A.N., Uspenskyi V.S. i dr. Termoaktseptory v antimonide indyia. Yzv. AN SSSR. Neorhan. mater. 1980. 16, №12. S. 2114-2118.

16. Fomin Y.A., Lebedeva L.V., Annenko N.M. Issledovanye urovnei hlubokikh defektov v InSb izmerenyem emkosti MDP - struktur. FTP. 1984. 18, №3. S. 734-736.

17. Volkov V.V., Padalko A.H., Belotelov S.V. i dr. Hlubokye tsentry v monokristallakh i tonkykh sloiakh antymonida indyia. FTP. 1989. 23, №3. P. 1400-1405.

18. Seiler D.G., Goodwin M.W., and Miller A. Resonant magneto-optical transitions from a mid-gap level in n-InSb. Phys. Rev. Lett. 1980. 44, № 12. P. 807-810.

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.44.807

19. Yozu Tokumaru, Hideyo Okushi and Hiroyuki Fujisada. Deep levels in n-type undoped and Te-doped InSb crystals. Japan J. Appl. Phys. 1987. 26, №3. P.499-500.

https://doi.org/10.1143/JJAP.26.499

20. Kunio Tsukioka and Hisao Miyazawa. DLTS Studies on InSb P-N+ Diodes. Jap. J. Appl. Phys. 1982. 21, Part 2, №8. P. L526-528.

https://doi.org/10.1143/JJAP.21.L526

21. Гусейнов Э.К., Ибрагимов Р.И., Коротин В.Г., Наследов Д.Н., Попов Ю.Г. Процессы рекомбинации в n-InSb в области температур 4.2-77 K. ФТП. 1971. 5, №9. С. 1776-1780. Huseinov Э.K., Ibrahimov R.Y., Korotyn V.H., Nasledov D.N., Popov Yu.H. Protsessy rekombinatsiy v n-InSb v oblasti temperatur 4.2-77 K. FTP. 1971. 5, №9. S. 1776-1780.

22. Zitter R.N, Strauss A.J., Attard A.E. Recombination processes in p-type InSb. Phys. Rev. 1959. 115, №2. P. 266-273.

https://doi.org/10.1103/PhysRev.115.266

23. Laff R.A., Fan H.Y. Carrier lifetime in Indium Antimonide. Phys. Rev. 1961. 121, №1. P.53-62.

https://doi.org/10.1103/PhysRev.121.53

24. Hollis, J.E.L., Choo C., Heasell E.L. Recombination Centers in InSb. J.Appl. Phys. 1967. 35, N4. P. 1626-1636.

https://doi.org/10.1063/1.1709734

25. Blekmor Dzh. Statystyka elektronov v poluprovodnykakh, M.: Mir. 1964. 392 s.; J.S. Blakmore, Semiconductor Statistics, Pergamon Press. 1962.

26. Fastov R., Goren D., and Nemirovsky Y. Shockley-Read recombination and trapping in ptype HgCdTe. J. Appl. Phys. 1990. 68, №7. P. 3405-3412.

https://doi.org/10.1063/1.346346

27. Nemirovsky Y., Fastov R., Adar A. and Unikovsky A. Trapping effects in HgCdTe. J. Vac. Sci. Technol. 1991. B9, № 4. P. 1829-1839.

https://doi.org/10.1116/1.585808

28. Shockley W., W. T. Read Jr. W.T. Statistics of the Recombination of Holes and Electrons. Phys. Rev. 1952. 87, №5. P. 835-842.

https://doi.org/10.1103/PhysRev.87.835

29. Shockley W. Electrons, Holes and Traps. Proc. IRE. 1958. 46. P.973.

https://doi.org/10.1109/JRPROC.1958.286837

30. Sandifford D.J. Carrier lifetime in semiconductors for transient conditions. Phys. Rev. 1957. 105, №2.P.524.

https://doi.org/10.1103/PhysRev.105.524

31. Reichman J. Photoconductivity decay method for determining minority carrier lifetime of p-type HgCdTe. Proc. SPIE. 1991. 1484. P. 31-38.

https://doi.org/10.1117/12.46504

32. Reichman J. Minority carrier lifetime of HgCdTe from photoconductivity decay method. Appl. Phys. Lett. 1991. 59, №10. P. 1221-1223.

https://doi.org/10.1063/1.105509

33. Fastow R., Nemirovsky Y. The excess carrier lifetime in ptype HgCdTe measured by photoconductive decay. J. Appl. Phys. 1989. 66, №4. P. 1705-1710.

https://doi.org/10.1063/1.344390

34. Ryvkyn S.M. Fotoelektrycheskye yavlenyia v poluprovodnykakh. M.:1963. 494 s.

35. Lvova T.V., Dunaevskyi M.S., Lebedev M.V. i dr. Khimicheskaia passivatsyia podlozhek InSb (100) v vodnykh rastvorakh sulfyda natryia. FTP. 2013. 47, № 5. S. 710 - 716.

https://doi.org/10.1134/S106378261305014X

36. Pavlov L.P. Metody izmerenyi parametrov poluprovodnikovykh materialov. M.: Vyssh. shk. 1987. 239 s.

37. Sukach A.V., Tetorkin V.V., Tkachuk A.I., Trotsenko S.P. InSb fotodiody (Ohliad. Chastyna III). OPT. 2017. Vyp. 52. S. 5-36.

https://doi.org/10.15407/jopt.2017.52.005

38. Krishnamurthy S., Berding M.A., Yu. Minority carrier lifetimes in HgCdTe alloys. J. Electron. Mat. 2006. 35, №6. P. 1369-1378.

https://doi.org/10.1007/s11664-006-0270-2

39. Sukach A.V., Tetyorkin V.V. and Tkachuk A.I. Electrical properties of InSb p-n junctions prepared by diffusion method. Semiconductor Physics, Quantum Electron & Optoelectronics. 2016. 19, № 3. P. 295-298.

https://doi.org/10.15407/spqeo19.03.295

40. Heyke K., G. Lautz G., Schumny H. Current Noise in n-Type InSb. phys. stat. sol. (a). 1970. 1. P. 459-467.

https://doi.org/10.1002/pssa.19700010311

В. В. Тетьоркін, А. І. Ткачук, А. Т. Ворощенко, І. Г. Луцишин

InSb фотодіоди (огляд. Частина V)

Аналізуються результати досліджень рекомбінації нерівноважних носіїв заряду (ННЗ) в монокристалах n-InSb. Показано, що описані в літературі моделі рекомбінації Шоклі-Ріда-Холла неспроможні пояснити експериментальні результати, отримані в монокристалах прикладної якості, які використовуються для створення інфрачервоних фотодіодів. Запропоновано модель рекомбінації за участю двох незалежних рівнів, один з яких є акцептором. Модель базується на результатах експериментальних досліджень часу життя в InSb n-типу, отриманих із вимірювань релаксації фотопровідності (ФП) при імпульсному лазерному збудженні в діапазоні температур 77-250 К. Тривалість імпульсів становила ~20 нс, а час спаду імпульсу не перевищував

5 нс. Для вимірювань переважно використовувались монокристали, вирощені методом Чохральського та отримані з декількох джерел. Концентрація носіїв заряду у зразках при температурі 77 К змінювалась у межах 1014-1016 см-3. Кінетика фотопровідності досліджувалась у зразках n-InSb до та після формування дифузійних p+-n переходів. Температура дифузії акцепторної домішки кадмію змінювалась у межах 380 – 420 0С. Показано, що у зразках після формування p+-n переходу час життя може бути обмежений ефектом прилипання неосновних носіїв на акцепторний рівень, який знаходиться на відстані 60 меВ від дна зони провідності. Модель дозволяє описати залежність часу життя від температури і концентрації носіїв в діапазоні легування 1014-1016 см-3. Із співставлення стаціонарного та нестаціонарного часу життя зроблено висновки щодо існування ефекту прилипання неосновних носіїв заряду в матеріалі n-типу провідності, який відповідає за надлишковий тунельний струм у фотодіодах, генераційно-рекомбінаційний та низькочастотний 1/f шум. Передбачається, що акцепторні пастки можуть бути обумовлені генерацією дислокацій під час виготовлення дифузійного переходу.

Ключові слова: InSb, рекомбінація Шоклі-Ріда-Холла, акцепторна пастка, прилипання неосновних носіїв.

Back / Повернутися