Swift Heavy Ion Induced Defect Study in Epitaxial n-Type CaAs from Hall Effect Measurements

(Received 27 July 1996, revised 10 March 1997, accepted 30 April 1997)

Abstract
N-type (Si-doped, cm ^-3) GaAs epitaxial layers (MOCVD) are irradiated at 77 K with oxygen (0.163 GeV), krypton (5.15 GeV), xenon (5.73 GeV) and at 300 K with krypton (5.15 GeV). Hall effect measurements are performed, in situ, with increasing fluence. A decrease of the electron concentration and a degradation of the Hall mobility, respectively due to trapping and to scattering on irradiation-induced point defects are pointed out. In the heavily doped layers, shallow donor impurities merge with the conduction band in distorted band tail. A simple two band conduction model is used as a simulation tool, which allows the carrier Hall concentration variation to be correctly fitted, as a function of both temperature and ion fluence. The Hall mobility versus fluence variation at 77 K, which is mainly limited by screened ionized impurities and defects, is also simulated. From these simulations, the arsenic vacancy levels E₁ and E₂ are most likely to correspond respectively to single acceptor (-/0) and single donor (0/+) transitions. The introduction rates of induced defects (in particular ) are estimated: the total experimental introduction rate appears to be about 50% of the theoretical atomic displacement rate associated with nuclear collisions, independently of ion nature and of temperature. Although electronic stopping power is about 2000 times larger than nuclear stopping power , it is then suggested that irradiation-induced electronic excitation, in the investigated range -12 MeV/ m, has no effect on the degradation of n-type GaAs epitaxial layers.

Résumé
Des couches épitaxiées de GaAs de type n (dopage au silicium,  cm ^-3) sont irradiées à 77 K avec des ions oxygène (0,163 GeV), krypton (5,15 GeV), xénon (5,73 GeV) et à 300 K avec des ions krypton (5,15 GeV). Les mesures d'effet Hall sont effectuées in situ, au fur et à mesure de l'accroissement de fluence. On observe une diminution de la concentration électronique et une dégradation de la mobilité de Hall, respectivement dues au piégeage et à la diffusion des électrons sur les défauts ponctuels créés par l'irradiation. Dans de telles couches fortement dopées, les niveaux d'impuretés dopantes (donneurs peu profonds) sont engloutis dans une queue distordue de la bande de conduction. Un modèle simple de conduction à deux bandes permet de simuler correctement les variations expérimentales de la concentration de Hall à la fois en fonction de la température et de la fluence des ions. On simule également les variations de mobilité de Hall avec la fluence à 77 K car à cette température, la diffusion est principalement due aux impuretés et défauts ionisés. A partir de ces simulations, il apparaît que les niveaux E₁ et E₂ de la lacune d'arsenic correspondent vraisemblablement aux transitions simple accepteur (-/0) et simple donneur (0/+). Une estimation des taux de production de défauts est effectuée : la quantité totale de défauts détectés est égale à eriviron 50 % du nombre théorique de déplacements atomiques provoqués par les collisions nucléaires, indépendamment du type d'ion incident et de la température. Bien que le pouvoir d'arrêt électronique soit environ 2000 fois plus grand que le pouvoir d'arrêt nucléaire , il semble que, dans la gamme explorée -12 MeV/ m, l'excitation électronique induite par l'irradiation n'ait pas d'incidence sur la dégradation des couches épitaxiées de GaAs de type n.