Rev. Phys. Appl. (Paris) 15, 631-646 (1980)
DOI: 10.1051/rphysap:01980001503063100

Spectroscopies thermique et optique des niveaux profonds : Application à l'étude de leur relaxation de réseau

D. Bois et A. Chantre

C.N.E.T. Grenoble, BP 42, 38240 Meylan, France

Abstract
After a review of the main features of deep level thermal spectroscopy in semiconductors (DLTS), we describe a new technique for deep level optical spectroscopy (DLOS). Measurement of the initial slopes of photocapacitance transients provides a straightforward independent determination of the optical cross sections for the transitions between each level and the conduction and valence bands - σ0n(hv) and σ 0p(hv) respectively - from their threshold to the band gap energy. Coupling of DLOS with DLTS allows a clear identification of the optical spectra with known levels, and yields both thermal and optical properties for each defect. The σ0n(hv) and σ 0p(hv) curves obtained for the main traps in GaAs are used as examples to illustrate this technique ; we propose a simple theoretical model to interpret these experimental results. This double thermal and optical spectroscopy is well suited to study lattice relaxation associated with deep levels. We describe the different types of relaxation found in GaAs - weak, strong and very strong - and their main features, with examples taken from our experimental investigation.

Résumé
Après avoir rappelé les principales caractéristiques des techniques de spectroscopie thermique des défauts profonds dans les semiconducteurs (DLTS), nous décrivons la technique de spectroscopie optique que nous avons développée (DLOS). Nous montrons comment la mesure des dérivées à l'origine des transitoires de photocapacité fournit directement et indépendamment les spectres des sections efficaces optiques des transitions entre chaque niveau et les bandes de conduction et de valence - σ0n(hv) et σ0 p(hv) respectivement - et ceci depuis leur seuil jusqu'au seuil intrinsèque du matériau. Le couplage entre DLOS et DLTS permet d'associer ces spectres aux défauts identifiés par leur signature thermique, c'est-à-dire de rassembler les propriétés thermiques et optiques de chaque défaut. Nous illustrons les possibilités de cette méthode en présentant les spectres σ 0n(hv) et σ0p(hv) que nous avons obtenus pour les principaux défauts rencontrés dans GaAs ; nous décrivons un modèle théorique simple permettant de rendre compte de ces résultats expérimentaux. Cette double spectroscopie thermique et optique constitue un outil de choix pour l'étude de la relaxation de réseau associée aux défauts profonds. Nous présentons les différents types de relaxation rencontrés dans GaAs - faible, forte et très forte - et leurs principales caractéristiques, en les illustrant par des exemples empruntés à notre analyse expérimentale.

PACS
7155F - Impurity and defect levels in tetrahedrally bonded nonmetals.
7850G - Impurity and defect absorption in semiconductors.

Key words
deep levels -- gallium arsenide -- III V semiconductors -- impurity and defect absorption spectra of inorganic solids -- lattice relaxation -- deep level thermal spectroscopy -- deep level optical spectroscopy -- photocapacitance transients -- optical cross sections -- valence bands -- band gap energy -- optical spectra -- optical properties -- GaAs -- conduction band -- threshold energy -- optical transition