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.
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.
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.
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.
4. Milnes A.G. Deep Impurities in Semiconductors. Wiley. 1973.
5. Madelung O. (Ed.) Semiconductors – Basic Data. Springer-Verlag, Berlin–Heidelberg–New York. 1996.
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.
7. Littler Ch. Characterization of impurities and defects in InSb and HgCdTe using novel magneto-optical techniques. Proc. SPIE. 1993. 2021. P. 184–201.
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].
9. Егембердиева С.Ш., Лучинин С.Д., Сайсенбаев Т. и др. Глубокие уровни в запрещенной зоне антимонида индия. ФТП. 1982. 16, №3. С. 540–542.
10. Сиповская М.А., Сметанникова Ю.С. Зависимость времени жизни носителей тока в n-InSb от концентрации электронов. ФТП. 1984. 18, №2. С. 356–358.
11. Шепелина О.С., Новотоцкий-Власов Ю.Ф. Равновесные параметры глубоких объемных уровней в антимониде индия. ФТП. 1992. 26, №6. С. 1015–1023.
12. Трифонов В.И., Яременко Н.Г. Глубокий донорный уровень в n-InSb. ФТП. 1971. 5, №5. С. 953–956.
13. Голованов В.В., Одинг В.Г. Влияние компенсации глубокого уровня на электрические свойства p-InSb. ФТП. 1969. 3, №2. С. 284–286.
14. Блаут-Блачев А.Н., Ивлева В.С., Селянина В.И. Фтор – быстро диффундирующий акцептор в антимониде индия. ФТП. 1979. 13, №11. С. 2288–2290.
15. Кеворков М.Н., Попков А.Н., Успенский В.С. и др. Термоакцепторы в антимониде индия. Изв. АН СССР. Неорган. матер. 1980. 16, №12. С. 2114–2118.
16. Фомин И.А., Лебедева Л.В., Анненко Н.М. Исследование уровней глубоких дефектов в InSb измерением емкости МДП - структур. ФТП. 1984. 18, №3. С. 734–736.
17. Волков В.В., Падалко А.Г., Белотелов С.В. и др. Глубокие центры в монокристаллах и тонких слоях антимонида индия. ФТП. 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.
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.
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.
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.
22. Zitter R.N, Strauss A.J., Attard A.E. Recombination processes in p-type InSb. Phys. Rev. 1959. 115, №2. P. 266-273.
23. Laff R.A., Fan H.Y. Carrier lifetime in Indium Antimonide. Phys. Rev. 1961. 121, №1. P.53-62.
24. Hollis, J.E.L., Choo C., Heasell E.L. Recombination Centers in InSb. J.Appl. Phys. 1967. 35, N4. P. 1626-1636.
25. Блекмор Дж. Статистика электронов в полупроводниках, М.: Мир. 1964. 392 с.; 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.
27. Nemirovsky Y., Fastov R., Adar A. and Unikovsky A. Trapping effects in HgCdTe. J. Vac. Sci. Technol. 1991. B9, № 4. P. 1829-1839.
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.
29. Shockley W. Electrons, Holes and Traps. Proc. IRE. 1958. 46. P.973.
30. Sandifford D.J. Carrier lifetime in semiconductors for transient conditions. Phys. Rev. 1957. 105, №2.P.524.
31. Reichman J. Photoconductivity decay method for determining minority carrier lifetime of p-type HgCdTe. Proc. SPIE. 1991. 1484. P. 31-38.
32. Reichman J. Minority carrier lifetime of HgCdTe from photoconductivity decay method. Appl. Phys. Lett. 1991. 59, №10. P. 1221-1223.
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.
34. Рывкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. М.:1963. 494 с.
35. Львова Т.В., Дунаевский М.С., Лебедев М.В. и др. Химическая пассивация подложек InSb (100) в водных растворах сульфида натрия. ФТП. 2013. 47, № 5. С. 710 – 716.
36. Павлов Л.П. Методы измерений параметров полупроводниковых материалов. М.: Высш. шк. 1987.
239 с.
37. Сукач А.В., Тетьоркін В.В., Ткачук А.І., Троценко С.П. InSb фотодіоди (Огляд. Частина III). ОПТ. 2017. Вип. 52. с. 5-36.
38. Krishnamurthy S., Berding M.A., Yu. Minority carrier lifetimes in HgCdTe alloys. J. Electron. Mat. 2006. 35, №6. P. 1369–1378.
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.
40. Heyke K., G. Lautz G., Schumny H. Current Noise in n-Type InSb. phys. stat. sol. (a). 1970. 1. P. 459-467.
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.