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Issue
Microsc. Microanal. Microstruct.
Volume 3, Number 6, December 1992
Page(s) 483 - 499
DOI https://doi.org/10.1051/mmm:0199200306048300
Microsc. Microanal. Microstruct. 3, 483-499 (1992)
DOI: 10.1051/mmm:0199200306048300

Microscale characterisation of epitaxial semiconducting homolayers. - I. Cathodoluminescence

Christian de Meerschman1, Brigitte Sieber1, Jean-Louis Farvacque1 et Yves Druelle2

1  Laboratoire de Structure et Propriétés de l'Etat Solide, Unité de Recherche Associée au CNRS n° 234. Bâtiment C6, Université des Sciences et Technologies de Lille, 59655 Villeneuve d'Ascq cedex, France
2  IEMN, Université des Sciences et Technologies de Lille, 59655 Villeneuve d'Ascq cedex, France


Abstract
A model of the cathodoluminescence (CL) intensity originated from Gallium Arsenide epitaxial layers is developed. The dependence of the CL intensity on the electron beam voltage is investigated in the particular case of a structure which resembles field effect transistors:, an n type uppermost layer grown on a acceptor doped ([NA] ≈ 10^15 cm-3) layer, the substrate being semi-insulating. The influence of the parameters on which the CL intensity depends is detailed. The surface and interface recombination velocities and the minority carrier diffusion length can be determined in regions of the order of one micron3. As an illustration of the proposed method of characterisation, experiments were performed at room temperature, in a scanning electron microscope, on GaAs homojunctions grown by molecular epitaxy with an uppermost layer silicon doping level of 4 x 10^17 and 2 x 10^18 cm-3. The minority carrier diffusion length is found to decrease from about 1 µm to 0.5 µm when increasing the doping level. The surface and interfaces recombination velocities are estimated to be as high as 10^6 cm/s.


Résumé
Nous avons developpé un modèle décrivant la variation de l'intensité de cathodoluminescence (CL) avec la tension d'accélération des électrons incidents. Nous avons étudié spécifiquement le cas d'homostructures semblables à celles utilisées dans la fabrication des transistors à effet de champ. La première couche, de type n, est évaporée sur une couche tampon ([NA] ≈ 10^15 cm-3) le substrat est semi-isolant. Nous décrivons l'influence des divers paramètres sur les courbes d'intensité CL. Les vitesses de recombinaison à la surface et aux interfaces, ainsi que la longueur de diffusion des porteurs minoritaires peuvent être déterminés à l'échelle du micron3. Nous proposons comme illustration de cette méthode, la caractérisation, dans un microscope électronique à balayage, d'homojonctions d'arséniure de gallium préparées par la technique de jet moléculaire. La couche supérieure est dans un cas dopée avec 4 x 10^17/cm3 atomes de silicium, et dans l'autre avec 2 x 10^18/cm3. Les expériences sont réalisées à température ambiante. La longueur de diffusion diminue d'environ 1 µm à 0,5 µm lorsque le niveau de dopage augmente, et les vitesses de recombinaison à la surface et aux interfaces sont de l'ordre de 10^6 cm/s.

PACS
7361E - III-V semiconductors.
7860H - Cathodoluminescence, ionoluminescence.
8530D - Semiconductor-device characterization, design, and modeling.

Key words
Semiconductor epitaxial layers -- Homoepitaxy -- Cathodoluminescence -- Field effect transistors -- Hole density -- Boundary conditions -- III-V semiconductors -- Gallium arsenides -- Binary compounds -- Doped materials -- Silicon additions -- Line intensity -- GaAs -- As Ga -- Recombination rates


© EDP Sciences 1992