REVISTA MEXICANA DE FISICA S53 (7) 236–239 DICIEMBRE 2007

Caracterizacion electrica de capas semiconductoras de Ga1−xInxAsySb1−y

A. Villada, L. Tirado-Mejıa, D.G. Espinosa, C.A. Ortiz y H. Ariza-CalderonLaboratorio de Optoelectronica, Universidad del Quindıo,

Apartado Aereo 460, Armenia - Colombia.

M.E. Gomez y D.F. GutierrezDepartamento de Fısica, Universidad del Valle,

A.A. 25360, Cali - Colombia.

Recibido el 30 de noviembre de 2006; aceptado el 8 de octubre de 2007

El Ga1−xInxAsySb1−y es un semiconductor utilizado en la fabricacion de dispositivos optoelectronicos que trabajan en el infrarrojo. Uno delos factores a considerar en el diseno de estos dispositivos es la caracterıstica electrica de los contactos, ya que su desempeno se ve afectadopor el material especıfico del contacto. En este trabajo reportamos las curvas corriente-voltaje para diferentes metales (Au, In, Cu y Ag),variando la temperatura entre 15 y 300K. Para la obtencion de las curvasI−V , se utilizo la configuracion de cuatro puntas de Van der Pauw.La forma de lınea se asocia a la caracterıstica de barrera Schottky, considerando una estructura metal-semiconductor-metal. Las pelıculas delsemiconductor cuaternario Ga1−xInxAsySb1−y se fabricaron por la tecnica de epitaxia en fase lıquida, a partir de soluciones con pequenasvariaciones en la concentracion molar de As. Para estas pelıculas, los valores dex estan en el rango de 0.157 a 0.175. Con el fin de estudiarla respuesta electrica para diferentes metales, se depositaron sobre ellas electrodos de Cu, In, Ag y Au. Calculamos los valores de altura debarrera y factor de idealidad, y comparando la respuesta para las diferentes configuraciones de medida, obtuvimos informacion de cada unode los contactos.

Descriptores:Conduccion Electronica en Metales y Aleaciones; Estructuras MSM; Semiconductores III-V.

Ga1−xInxAsySb1−y is a promising semiconductor for applications in optoelectronic devices working in the near and mid-infrared range.One of the many factors that must be considered in the design and fabrication of these devices is the electrical characteristic of the contacts,since the electrical behavior of the device can be affected by the specific contact material. Current voltage characteristics, varying temperaturerange from 11 to 300K for different metals (Au, In, Cu, Ag) are reported in this work. The method used to obtainI − V curves is the four-point parallel probe known as the Van der Paw convention. The line shape is associated to the Schottky barrier characteristic, consideringa metal-semiconductor-metal structure. The samples under study were grown by liquid phase epitaxy from liquid solutions with slightlyvariation on the As concentration. Thex value for these samples ranges between 0.157 and 0.175. In order to study the electrical responseof the different metals, we deposited as electrodes Cu, In, Ag and Au over the semiconductor samples. We calculated the barrier height andideality factor values, and from the comparison of the response for different configurations of measures, we obtained information of each oneof the contacts.

Keywords:Electronic Conduction in Metals and Alloys; MSM Structures; III-V Semiconductors.

PACS: 72.15.-V; 73.40.Vz; 73.61.Ey

1. Introduccion

El Ga1−xInxAsySb1−y es un semiconductor con aplicacionen dispositivos cuyo rango de trabajo es el infrarrojo, debidoa su bajo valor de energıa de la brecha. Los semiconductorescuaternarios, como elGaInAsSb, son de gran interes en laindustria de dispositivos, particularmente de heteroestructu-ras, debido a la posibilidad que presentan de variar indepen-dientemente su brecha de energıa y el parametro de red [1].Esta versatilidad permite utilizar diferentes materiales comosustratos para fabricar sobre ellos materiales con diferentesbrechas de energıa basados en el GaInAsSb. En la actuali-dad se fabrican dispositivos como diodos laseres, fotodetec-tores [2] y celdas termofotovoltaicas [3], en los que se tienencapas de este semiconductor cuaternario. En el diseno y fa-bricacion de los dispositivos se debe tener en cuenta el tipode contacto que forma el electrodo utilizado. El tema rela-cionado con los contactos electricos es de fundamental im-

portancia en el diseno de los dispositivos, pues aquellos sonel canal de comunicacion del dispositivo con el circuito delcual hace parte. La respuesta electrica del semiconductor conelectrodos con comportamientoohmico difiere de la respues-ta cuando se forma una barrera Schottky [4]. Por esta razon,la union metal-semiconductor es determinante en el estudiobasico de semiconductores para su aplicacion en la optoelec-tronica [5]. En este trabajo presentamos la respuesta electri-ca de pelıculas semiconductoras de GaInAsSb crecidas porEpitaxia en Fase Lıquida (EFL), utilizando electrodos de Au,Ag, In y Cu. En el metodo experimental se utilizo la con-figuracion conocida como la convencion de Van der Pauw,de las cuatro puntas. La interpretacion de los resultados sehace considerando contribuciones de la corriente por termo-emision con contribuciones debidas a inhomogeneidades delmaterial y caracterısticas del contacto. Se describe la depen-dencia del factor de idealidad de la barrera Schottky con latemperatura.

CARACTERIZACION ELECTRICA DE CAPAS SEMICONDUCTORAS DE Ga1−X InXAsY Sb1−Y 237

FIGURA 1. Configuraciones de medida utilizadas para las curvasI − V .

FIGURA 2. Curvas caracterısticasI − V obtenidas a 300K paracuatro muestras iguales con diferentes contactos.

2. Procedimientos Experimentales

La tecnica con la cual se fabricaron las pelıculas deGa1−xInxAsySb1−y estudiadas es la Epitaxia en Fase Lıqui-da. El proceso de fabricacion se lleva a cabo en atmosferade hidrogeno purificado, en un sistema convencional de botede grafito horizontal, con horno de tres zonas. Los elemen-tos constituyentes se someten a un proceso de recocido paraeliminar losoxidos superficiales, ası como tambien para lo-grar una solucion lıquida homogenea. Las pelıculas se cre-cieron sobre sustratos monocristalinos comerciales de GaSbdopados con Te, a partir de soluciones en las que el In es elsolvente. Previo al crecimiento, los sustratos se sometieron atratamientos quımico y termico para eliminar losoxidos for-mados en la superficie. Los sustratos fueron sometidos a untratamiento adicional con Na2S, con el fin de pasivar la su-perficie con una capa de sulfuros para evitar la reoxidacional exponer el sustrato nuevamente al medio ambiente antes

del crecimiento [6]. Esta capa se elimina facilmente con eltratamiento termico previo al crecimiento.

Para este trabajo se fabricaron siete pelıculas, S1-S7, apartir de soluciones con la misma concentracion molar deGa, In y Sb, pero con leves variaciones en la concentra-cion de As. A partir de medidas de EDS en las pelıculas deGa1−xInxAsySb1−y [7] obtienen valores dex en el rango de0.157 a 0.175. Con el fin de estudiar la respuesta electrica pa-ra diferentes metales, las pelıculas S1-S5 fueron fabricadascon los mismos parametros de crecimiento y la misma solu-cion precursora, y se depositaron electrodos de Cu en S1, deIn en S2 y S3, de Au y Ag en S4 y S5 respectivamente.

Para la obtencion de las curvasI − V , se utilizo la con-figuracion de cuatro puntas de Van der Pauw, y se realizaronmediciones para las cuatro posibles configuraciones a todaslas muestras (Fig. 1). Para medir a diferentes temperaturaslas curvasI − V , se utilizo un criostato con sistema cerradode He. La fuente de corriente es una Keithley 6220 con unaresolucion del orden de losfA y un voltımetro de igual mar-ca, 2182A con resolucion denV . El rango de trabajo de lacorriente fue de -10 a 10mA en pasos de 0.04mA. Dadas lasvariaciones que presenta la respuesta electrica al hacer inci-dir radiacion sobre el material, las mediciones se realizaronen oscuro.

Siendo uno de los objetivos principales estudiar el com-portamiento de los diferentes metales como electrodos enel semiconductor cuaternario, se fabricaron por evaporacioncontactos de Cu, Au y Ag, y por soldadura, contactos de In.Los electrodos se depositaron utilizando un sistema de eva-poracion termoelectrica en alto vacıo, a traves de mascarascon orificios de igual diametro, con el fin de obtenerareasiguales (1/32′′ de diametro). Para proteger los contactos alrealizar las medidas, se cubrieron con pintura de plata.

3. Resultados y DiscusionLos electrodos fabricados con todos los metales estudiados,presentan un comportamiento no lineal asociado a barrerasSchottky, como se observa en la Fig. 2. El sistema metal-semiconductor-metal (MSM) se considera equivalente a unsistema metal-semiconductor (MS), mas una resistencia enserie correspondiente a la contribucion del otro contacto ydel material semiconductor. Es ası como los parametros ca-racterısticos de la barrera Schottky estaran influenciados porinhomogeneidades en la interfaz, anisotropıas del semicon-ductor, particularidades del contacto comoarea efectiva y va-riacion espacial de la altura de la barrera. El efecto deestos,estara incluido en correcciones al valor de la altura de labarrera y del factor de idealidad a traves de una resistenciaen serie. Dada la dificultad que se presenta para identificarlas caracterısticas de la barrera Schottky se realiza un analisiscomparativo para evidenciar la contribucion a la corriente delos diferentes componentes.

Partimos de la teorıa de corriente por emision ter-moionica, que describe la relacion I − V por medio de laEc. (1) [8,9]:

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TABLA I. Altura de barrera y factor de idealidad para cada uno de los cuatro contactos de las muestras S2 y S3.

MUESTRA PARAMETROS ELECTRODOS

1 2 3 4

S2 Vi (eV ) 0,24378 0,25122 0,24136 0,25252

β 0,01589 0,01656 0,02346 0,02893

S3 Vi (eV ) 0,21868 0,28937 0,19903 0,22039

β 0,05084 0,02240 0,00195 0,00394

I = Is

[exp

(e (V − IRs)

βkBT

)− 1

](1)

en dondee es la carga del electron,β se conoce como el fac-tor de idealidad,kB es la constante de Boltzmann,T es latemperatura,Rs es la resistencia en serie eIS es la corrientede saturacion, descrita por la Ec. (2):

Is = AR?T 2 exp(−eVi

kBT

)(2)

siendoA el area efectiva del contacto,R? la constante efec-tiva de Richardson yVi la altura de la barrera Schottky. LaconstanteR? se calcula considerando la masa efectiva de loselectrones para el sistema cuaternario [8]. Este valor se ob-tiene a partir de la interpolacion entre las masas efectivasde los semiconductores binarios asociados, ponderados deacuerdo a la estequiometrıa de la pelıcula. Para pelıculas deGa1−xInxAsySb1−y con coincidencia del parametro de redcon el GaSb, la relacion entre los valoresx e y esta descritacon buena aproximacion por la expresion y=0.91x [10,11], ylas pelıculas presentadas en este trabajo tienen valores dexentre 0.1 y 0.2.

La corriente de saturacion, que permite calcular la altu-ra de la barrera, se obtiene del corte con el eje, de la graficaLn(I) vs. V , utilizando la Ec. (2). Del ajuste de las curvasI − V con la Ec. (1) obtenemos el factor de idealidadβ in-fluenciado por la resistencia en serie.

Para el analisis de las curvasI−V , se han tenido en cuen-ta las diferencias y similitudes de la respuesta para las dife-rentes configuraciones. Se observan principalmente dos com-portamientos generales: respuesta tipo diodo Schottky recti-ficador y respuestaI − V muy simetrica, para tres posiblescasos:

(1) Curvas simetricas en todas las configuraciones. Se atri-buye a muestras altamente homogeneas, con contactossimilares;

(2) Curvas asimetricas en todas las configuraciones. Seconsidera que todos los contactos son diferentes y queno podemos concluir nada acerca de la isotropıa delmaterial;

(3) Curvas diferentes para direcciones de corriente di-ferentes. Para dos configuraciones, se tienen curvassimetricas y para las otras dos, son curvas asimetricas.

FIGURA 3. CurvasI − V a 300K, con la corriente circulando endirecciones perpendiculares para una misma muestra.

Este comportamiento se puede atribuir a presencia de ani-sotropıas en el material por defectos estructurales, o bien, adiferencias entre los pares de contactos.

En la Fig. 2 se presentan mediciones con curvas simetri-cas (S1 y S2), y curvas asimetricas (S4 y S5). Considerandoque se trata de muestras similares, la variacion se atribuyea problemas de los electrodos, relacionados principalmentecon elarea efectiva de contacto. En el analisis de las cuatroconfiguraciones para la muestra S2 se concluye que los con-tactos 1 y 2 tienen las mismas caracterısticas comoarea delcontacto y altura de la barrera, mientras que el 3 es similaral 4. Por el contrario, para las muestras S4 y S5 todos loselectrodos son diferentes.

Un analisis para dos de estas muestras (S2 y S3) se pre-senta en la Tabla I, en donde se verifica la relacion entre losparametros de los electrodos (Vi, β).

Las muestras S6 y S7, con contactos de Cu e In respec-tivamente, presentan una respuesta diferente cuando se mideen las configuraciones donde la corriente circula en direc-ciones perpendiculares. En la Fig. 3 se muestra la respuestapara dos de estas configuraciones en las que se deduce unacondicion anisotropica, no atribuida a la estructura cristalinadel material sino a defectos estructurales. Adicionalmente seobserva un comportamiento anomalo, a muy bajos voltajes,atribuido a un efecto capacitivo cuando se invierte la polari-dad. Este efecto puede surgir de capas aislantes intermediasentre el metal y el semiconductor, debidas a losoxidos de lasuperficie.

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CARACTERIZACION ELECTRICA DE CAPAS SEMICONDUCTORAS DE Ga1−X InXAsY Sb1−Y 239

TABLE I. Altura de barrera para los cuatro metales utilizados comocontactos sobre semiconductores similares.

MUESTRA CONTACTO Vi (300K)eV

S1 Cu 0.2538

S2 In 0.2442

S4 Au 0.4647

S5 Ag 0.4957

FIGURA 4. Comportamiento del factor de idealidad con la tempe-ratura para la muestra S5.

En la Tabla II se presenta la altura de la barrera paramuestras semiconductoras similares con contactos diferen-tes. Se observa que el resultado obtenido para la altura dela barrera a temperatura ambiente, en muestras con electro-dos de In y Cu es similar, mientras que difiere notablementepara electrodos de Au y Ag. Un analisis simple de los valo-res de la barrera para los diferentes metales muestra que loscontactos formados con Au y Ag permiten fabricar barrerasSchottky con mayor efecto rectificante.

El comportamiento del factor de idealidad con la tempe-ratura se presenta en la Fig. 4. Sullivanet al. [12] describen

la relacion entre ellos mediante la expresion:

β = 1 +T0

T(3)

Haciendo el ajuste teorico con la Ec. (3) a los resultadoscalculados a partir de las curvasI − V , observamos que aun-que conserva la forma de lınea, se presenta un corrimiento delos valores del factor de idealidad que se lo atribuimos a lascontribuciones del otro electrodo y del material semiconduc-tor.

4. Conclusiones

De la comparacion de las curvasI − V para las diferentesconfiguraciones se puede identificar la contribucion corres-pondiente a los contactos y la correspondiente al semicon-ductor asimilado a una resistencia en serie. Esta informacionse podrıa obtener cuantitativamente de los ajustes, si conside-ramos el valor del factor de idealidad cercano a uno, asociadoa la emision termoionica, y asumimos que las desviaciones seatribuyen a la resistencia en serie. Se observa un comporta-miento anomalo a bajos voltajes, atribuido a un efecto capa-citivo del dispositivo al invertirse la polaridad, debido posi-blemente a capas deoxido en el contacto MS. Los metalesutilizados forman barreras tipo Schottky con alturas entre 0.2y 0.5eV, y el factor de idealidad mostro una relacion inver-sa con la temperatura, siendo el Au y la Ag los metales quedan una mayor altura de la barrera. Se detecto que no soloel metodo de fabricacion del contacto sino tambien la adhe-rencia del metal, y la condicion de la superficie del semicon-ductor donde se realiza el contacto, influyen fuertemente enla caracterısticaI − V del dispositivo.

Agradecimientos

El presente trabajo ha sido parcialmente apoyado por el Cen-tro de Excelencia en Nuevos Materiales CENM, con el aus-picio de Colciencias, contratoNo 0432005, y por la Uni-versidad del Quindıo, proyectos297 y 303. Agradecemos alestudiante de intercambio de la Escuela Politecnica Federalde Lausanne Thomas Thalmman por el diseno del softwarede adquisicion de datos.

1. K. Shim, H. Rabitz y P. Dutta,J. Appl. Phys88 (2000) 7157.

2. Tian Yuan, Soo-Jin Chua y Yixin Jin,IR Phys. and Techn.45(2004) 181.

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