Segregação de índio em cristais Ga1-xInxSb dopados com telúrio obtidos pelo método Bridgman vertical

Abstract

Os compostos semicondutores ternários, dentre eles o Ga1-xInxSb, têm sido objeto de interesse de pesquisadores e da indústria microeletrônica devido à possibilidade de ajuste da constante de rede, assim como a correspondente modificação da banda proibida de energia e do intervalo de emissão e absorção óptica, com a variação da fração molar de x. A flexibilidade destas propriedades estruturais torna este composto apropriado como substratos para epitaxias de outros compostos ternários e quaternários, na formação de mono e heterojunções. A maneira mais econômica para obtenção de substratos de materiais semicondutores é através do crescimento de cristais a partir da fase líquida. Porém, os parâmetros que regem a obtenção de lingotes de Ga1-xInxSb com qualidade comercial, a partir da fase líquida, ainda não estão bem definidos. O índio tende a segregar para o líquido, pois seu coeficiente de segregação é menor que a unidade (k < 1), resultando num perfil composicional variado ao longo do lingote. Como os binários GaSb e InSb apresentam configurações de defeitos intrínsecos que originam condutividades de tipos opostos, tipo p e tipo n, respectivamente, a mudança na composição da liga, durante o crescimento, provavelmente resulta na modificação da concentração de cada um destes defeitos. A dopagem com telúrio consiste numa alternativa para minimizar a segregação do índio e diminuir a densidade dos defeitos pontuais, melhorando a qualidade estrutural de cristais de Ga1-xInxSb obtidos através do método Bridgman convencional. Desta forma foram crescidos cristais ternários Ga1-xInxSb, com e sem agitação do líquido durante a síntese, com fração molar inicial de índio de 10% e 20%, alguns deles dopados com 1020 átomos/cm3 de telúrio, pelo método Bridgman vertical. A caracterização estrutural em termos de formação de defeitos lineares, interfaciais e volumétricos foi realizada através de imagens obtidas por microscopia óptica, eletrônica de varredura e de transmissão. A homogeneidade composicional e distribuição de fases foi avaliada através de medidas de espectroscopia por dispersão de energia. Medidas de resistividade e efeito Hall foram utilizadas para a caracterização elétrica, enquanto que a transmitância óptica e a banda proibida de energia foram avaliadas por espectrometria FTIR. Os padrões de difração obtidos através da microscopia eletrônica de transmissão foram utilizados para avaliar a cristalinidade das amostras e determinar o parâmetro de rede. Os resultados obtidos indicam que o telúrio atua de forma compensatória, minimizando a segregação de índio e contribuindo para a homogeneidade composicional e redução de defeitos, principalmente de discordâncias. Além disso, altera a condutividade do Ga1-xInxSb para tipo n, mesmo em frações molares de In inferiores a x = 0,5, diminuindo o número de cargas positivas na rede atribuídas aos defeitos tipo GaSb e VGaGaSb e, desta forma, aumenta a concentração de portadores de carga e reduz a resistividade. Na condição de alta dopagem, reduz a transmitância óptica no infravermelho e aumenta a banda proibida de energia através do efeito Burstein-Moss. A avaliação de cristais de Ga1-xInxSb, dopados e não dopados, crescidos pelo método Bridgman convencional contribuiu para o entendimento do comportamento de dopantes em compostos semicondutores ternários.

Ternary compound semiconductors, including Ga1-xInxSb, have been subject of interest of researchers and microelectronics industry because of the possibility of adjusting the lattice constant, as well as the corresponding modification in the band gap energy, and in the optical absorption and emission range, by varying the mole fraction x. The flexibility of their structural properties makes this compound suitable as substrates for epitaxy of other ternary and quaternary compounds, in the formation of mono- and heterojunctions. The most economical way to obtain semiconductor substrates is by crystal growth from the liquid phase. However, the parameters governing the outcoming of Ga1-xInxSb ingots with commercial quality, from liquid phase, are not well defined. Indium tends to segregate to the liquid, since its segregation coefficient is less than the unity (k < 1), resulting in a varied compositional profile along the ingot. As the binary GaSb and InSb have intrinsic defects configurations that originate opposite conductivities, type p and type n, respectively, the change in the alloy composition, while growing, probably results in a modification of the concentration on each of these defects. Doping with tellurium is an alternative to minimize the indium segregation and decrease the density of point defects, therefore improving the structural quality of Ga1-xInxSb crystals obtained through the conventional Bridgman method. Thus, ternary Ga1-xInxSb crystals were grown by vertical Bridgman method with and without stirring the melt during the synthesis, with 10% and 20% initial molar fraction of indium and some of them were tellurium-doped at 1020 atoms/cm3. The structural characterization regarding linear, interfacial, and volumetric defects formation was performed by using images obtained through optical, scanning and transmission electron microscopy. The compositional homogeneity and phase distribution was assessed by energy-dispersive spectroscopy measurements. Resistivity and Hall Effect measurements were used for the electrical characterization, while the optical transmittance and the band gap energy were examined by FTIR spectroscopy. Diffraction patterns obtained by transmission electron microscopy were used to evaluate the crystallinity of the samples and determine the lattice parameter. The results indicate that tellurium acts in a compensatory way, minimizing indium segregation and contributing to the compositional homogeneity and defect reduction, especially in dislocations. In addition, it changes the conductivity of Ga1-xInxSb to n-type, even in mole fraction of In lower than x = 0.5, reducing the number of positive charges on the network assigned to GaSb and VGaGaSb defects, thus increasing the concentration of charge carriers and reducing the resistivity. In high doping condition, it reduces the optical transmittance in the infrared region and increases the energy of the band gap by the Burstein-Moss Effect. The evaluation of Ga1-xInxSb crystals, doped and undoped, grown by the conventional Bridgman method contributed to the understanding of dopants behavior in ternary compound semiconductors.