Rev. Phys. Appl. (Paris) 23, 847-862 (1988)
DOI: 10.1051/rphysap:01988002305084700

Defect pairs and clusters related to the EL2 centre in GaAs

Sherif Makram-Ebeid et P. Boher

Laboratoires d'Electronique et de Physique Appliquée , 3 avenue Descartes, F-94450 Limeil-Brévannes, France

Abstract
In this article, we attempt to consistently interpret Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS), Electron Paramagnetic Resonance (EPR) and electrical conductivity experimental data for irradiated GaAs. Our analysis reveals the occurrence of an irradiation-induced single donor mid-gap level (MG) related to the AsGa antisite defect. We give evidence that MG can be identified with the deep level associated to the native bulk centre EL2. We make use of a model we have recently developed for the calculation of inter-defect phonon-assisted tunnelling rates. We calculate the nearest neighbour defect-induced hopping conductivities. In heavy dose irradiated GaAs, the DC conductivity is attributed to hopping between MG defects. Our calculations provide extremely good fits to the experimental results of Deng et al. for the DC electrical conductivity in GaAs induced by argon ion bombardment for temperatures ranging from around 20 K to 500 K. The phonon energy ħω (20 ± 2 meV) and Franck-Condon shift Sħω (145 ±10 meV) of MG needed to achieve this fit are in very good agreement with the ħω and Sħω values earlier determined for the native EL2 defect. The bulk AC hopping conductivity has also been calculated and found to agree well with experimental results of Mares et al. for high purity semi-insulating GaAs. The corresponding low-frequency AC conductivity is attributed entirely to a homogeneous random distribution of native mid-gap donor defects EL2. We are also led to invoke the mid-gap level MG (identifiable with that of EL2) in order to account for DLTS results. In fast-electron irradiated n-GaAs, the two high temperature DLTS peaks E4 and E5 are both accounted for by two defect pairs each including an MG level component. In heavy-particle bombarded n-GaAs damage clusters including MG defects account for the experimentally recorded high temperature DLTS peak. For these defect pairs and clusters, our DLTS simulations correctly predict the observed peak positions and their dependence on the electric field.

Résumé
Dans cet article, nous proposons des interprétations cohérentes des données expérimentales sur l'AsGa irradié obtenues par des études de spectroscopie de transitoires de niveaux profonds (DLTS), de résonance paramagnétique électronique et de conductivité électrique. Notre analyse révèle un niveau donneur simple (MG) situé au milieu de la bande interdite et apparenté à l'antisite As Ga. Nous fournissons des arguments permettant d'identifier le niveau MG avec celui du centre EL2 natif du matériau massif. Nous nous servons d'un modèle physique récemment mis au point pour le calcul des taux de transition électronique tunnel assisté phonon entre défauts. Dans les matériaux irradiés à forte dose on peut attribuer la conductivité électrique à des sauts d'électrons entre défauts MG. Nos calculs sont en parfait accord avec les résultats expérimentaux de Deng et al. pour la conductivité en courant continu de l'As Ga induite par un bombardement aux ions d'argon et ceci pour une gamme de températures allant de 20 K environ à 500 K. En cherchant un accord entre calculs et observations, on trouve une énergie de phonon (ħω = 20 ± 2 meV ) et une énergie Franck-Condon (Sħω =145 ± 10 meV ) pour MG qui sont pratiquement identiques à celles déterminées au préalable pour EL2. La conductivité pour courants alternatifs a aussi été calculée et se trouve en accord avec les résultats expérimentaux de Mares et al. pour l'AsGa semi-isolant de haute pureté. A basses fréquences, nous pouvons attribuer complètement cette conductivité à une répartition homogène et aléatoire de défauts EL2 dans le volume. Pour rendre compte des résultats DLTS, nous sommes conduits à invoquer le niveau MG (identifiable à celui de EL2). Pour l'AsGa de type n irradié aux électrons rapides, les pics E4 et E5 apparaissant vers les hautes températures des spectres DLTS sont attribués à deux paires de défauts comprenant chacune un niveau (MG). Pour les matériaux AsGa de type n irradiés aux particules lourdes, des amas de défauts rendent compte des spectres DLTS. Nos simulations pour ces paires et amas prévoient correctement les positions des pics DLTS et leur dépendance du champ électrique.

PACS
7155F - Impurity and defect levels in tetrahedrally bonded nonmetals.
7220F - Low field transport and mobility: piezoresistance semiconductors/insulators.
7280E - Electrical conductivity of III V and II VI semiconductors.
7630M - EPR of colour centres and other defects.

Key words
deep level transient spectroscopy -- deep levels -- electron traps -- Franck Condon factors -- gallium arsenide -- hopping conduction -- III V semiconductors -- paramagnetic resonance of defects -- tunnelling -- semiconductors -- defect clusters -- EL2 centre -- DLTS -- EPR -- electrical conductivity -- single donor mid gap level -- antisite defect -- deep level -- phonon assisted tunnelling -- hopping conductivities -- Franck Condon shift -- defect pairs -- GaAs