Rev. Phys. Appl. (Paris) 16, 497-508 (1981)
DOI: 10.1051/rphysap:01981001609049700

Charge carrier properties in P-type layers of silicon on sapphire

M. Roux et D. Bielle-Daspet

Centre d'Etude Spatiale des Rayonnements , 9, avenue du Colonel-Roche, BP 4346, 31029 Toulouse, France

Abstract
Equilibrium hole density and mobility and photoexcited carrier properties are studied using Hall measurements and transient photoresponses to pulsed laser beam (30 ns half-width duration) of 1.06 and 0.53 μm wavelength. The transient responses involve both the diffusion photocurrents due to free excess holes or electrons and the photoconductivity under constant current due to the variations induced in the charge carrier densities and/or mobilities. Results deal with 0.9 to 2.4 μm thick epitaxial layers of 0.7 to 2.0 Ω. cm resistivity which are studied in the temperature range 300-50 K and for 10-4 to 102 mJ. cm-2 incident light pulse energy. From transient measurements the existence of insulating zones (internal Fermi level EFj ˜ EV + 0.32 eV) associated with electron traps Et ≈ EC - 0.17 eV is deduced. The insulating zones should spread out in the layer volume and are responsible for a 33 % decrease in the layer conductivity at room temperature. This is compared with donor-type compensation and dislocation effects obtained from the Hall data.

Résumé
Densité et mobilité des trous à l'équilibre et propriétés des porteurs créés par photoexcitation sont étudiées par des mesures de Hall et les photoréponses transitoires à une excitation par laser pulsé (durée de 30 ns à mi-hauteur) de longueur d'onde 1,06 et 0, 53 μm. Les réponses transitoires concernentà la fois les photocourants de diffusion dus aux trous ou électrons libres et la photoconductivité à courant constant liée aux variations de densités et/ou mobilités des porteurs de charge. Les résultats portent sur des couches épitaxiales d'épaisseur 0,9 à 2,4 μm et de résistivité 0,7 à 2,0 Ω.cm, étudiées dans le domaine de température 300-50 K et pour des impulsions lumineuses d'énergie 10-4 à 102 mJ. Les mesures transitoires montrent l'existence de zones isolantes (niveau de Fermi interne E Fj ˜ EV + 0,32 eV) associées à un fort effet de pièges à électrons Et ˜ EC - 0,17 eV. Les zones isolantes paraissent réparties dans le volume des couches et sont responsables d'une diminution de 33 % de la conductivité de ces couches, à température ambiante. Ceci se compare favorablement à la compensation par niveaux donneurs et aux effets de dislocations obtenus à partir des données de Hall.

PACS
7220F - Low field transport and mobility: piezoresistance semiconductors/insulators.
7220J - Charge carriers: generation, recombination, lifetime, and trapping semiconductors/insulators.
7220M - Galvanomagnetic and other magnetotransport effects semiconductors/insulators.
7240 - Photoconduction and photovoltaic effects: photodielectric effects.
7360F - Electronic properties of semiconductor thin films.
4210 - Photoconducting materials and properties.

Key words
carrier density -- carrier mobility -- electron traps -- electronic conduction in crystalline semiconductor thin films -- elemental semiconductors -- epitaxial layers -- Fermi level -- Hall effect -- photoconductivity -- sapphire -- silicon -- charge carrier properties -- 300 to 50K -- equilibrium hole density -- hole mobility -- Si Al sub 2 O sub 3 -- SOS -- p type layers -- silicon on sapphire -- photoexcited carrier properties -- Hall measurements -- transient photoresponses -- pulsed laser beam -- diffusion photocurrents -- charge carrier densities -- incident light pulse energy -- insulating zones -- internal Fermi level -- layer conductivity -- donor type compensation -- dislocation effects