Rev. Phys. Appl. (Paris) 22, 851-857 (1987)
DOI: 10.1051/rphysap:01987002208085100

Mise en évidence de complexes associés au silicium et à l'hydrogène entrant dans le mécanisme de neutralisation des donneurs dans GaAs:Si(n) hydrogéné

J. Chevallier¹, A. Jalil¹, J.C. Pesant¹, R. Mostefaoui¹, B. Pajot², P. Murawala² et R. Azoulay<sup>3

1</sup>  C.N.R.S., Laboratoire de Physique des Solides, 1, place A.-Briand, 92195 Meudon-Principal Cedex, France
²  Groupe de Physique des Solides de l'Ecole Normale Supérieure, Université Paris V, Tour 23, 2, place Jussieu, 75251 Paris Cedex 05, France
³  Centre National d'Etudes et Télécommunications, 196, rue de Paris, 92220 Bagneux, France

Abstract
After hydrogen plasma exposure of a n type GaAs:Si crystal, we observe a decrease of the free carrier concentration and a hydrogen diffusion in the near surface region of the material. In bulk crystals, a good correlation has been established between the hydrogen penetration depth and the depth where the free carrier concentration recovers its bulk value. The decrease of the carrier concentration is accompanied by a significant increase of the electron mobility. This increase reveals a neutralization of the active donors and their transformation into electrically neutral complexes. A detailed infrared spectroscopy study on plasma exposed GaAs:Si epilayers shows a very sharp absorption line at 890 cm-1 on hydrogenated samples and 637 cm-1 on deuterated samples. These bands are totally absent in hydrogenated undoped GaAs. The isotopic shift frequency analysis indicates that the 890 cm-1 line could be associated with an arsenic-hydrogen bond where arsenic is supposed to sit as a first nearest neighbour of a silicon donor. Isochronal annealing experiments show a good correlation between the 890 cm-1 absorption band intensity and the neutralized silicon donor concentration. The neutralization would be due to the formation of (SiAs 3)As-H complexes, the extra electron of the silicon donor being trapped in order to participate to the As-H bond.

Résumé
Après exposition d'un cristal de GaAs:Si de type n à un plasma d'hydrogène, on constate une diminution de la concentration de porteurs libres et une diffusion d'hydrogène au voisinage de la surface du matériau. Dans les cristaux massifs, on a pu établir une bonne corrélation entre la profondeur de pénétration de l'hydrogène et la profondeur à laquelle la concentration de porteurs retrouve sa valeur de volume. La réduction de la concentration de porteurs s'accompagne d'une augmentation notable de la mobilité des électrons. Cette augmentation traduit une neutralisation des donneurs actifs par une transformation de ces donneurs en complexes neutres. Une étude détaillée par spectroscopie infrarouge de couches épitaxiées révèle une raie d'absorption étroite à 890 cm -1 dans les échantillons hydrogénés et à 637 cm-1 dans les échantillons deutérés. Ces bandes sont totalement absentes dans l'échantillon hydrogéné non dopé. L'analyse du déplacement isotopique des fréquences montre que la bande à 890 cm-1 est peut-être associée à une liaison arsenic-hydrogène où l'arsenic est supposé être en premier voisin d'un donneur silicium. Une série de recuits isochrones montre une bonne corrélation entre l'intensité de la raie à 890 cm-1 et la concentration de donneurs neutralisés dans le matériau. La neutralisation serait due à la formation de complexes (SiAs3)As-H, l'électron supplémentaire du silicium venant se piéger pour participer à la liaison As-H.

PACS
6170Y - Interaction between different crystal structure defects.
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.
7830G - Infrared and Raman spectra in inorganic crystals.
7850G - Impurity and defect absorption in semiconductors.

Key words
carrier density -- carrier mobility -- gallium arsenide -- hydrogen -- III V semiconductors -- impurity and defect absorption spectra of inorganic solids -- impurity electron states -- infrared spectra of inorganic solids -- silicon -- semiconductor -- plasma hydrogenation -- impurity complexes -- isochronal annealing -- donor neutralisation -- n GaAs:Si -- free carrier concentration -- diffusion -- penetration depth -- electron mobility -- infrared spectroscopy -- absorption -- isotopic shift -- GaAs:Si,H