Growth and characterization of semi-insulating GaAs co-doped with Cr and In by vertical gradient freeze technique

수직온도구배냉각법으로 크롬과 인듐이 함께 도핑된 반절연 갈륨비소 단결정의 성장 및 특성평가

We have constructed a vertical gradient freeze (VGF) grower for GaAs single crystals 2 inch in diameter and have grown semi-insulating GaAs co-doped with Cr and In. For the co-doped crystal, the segregation coefficients of the dopants remain unchanged when compared to those doped with only Cr or In. The concentration of Cr and in atoms range from about $2{\Times}10_{16} to 3{imes}10^{17} cm^{-3}$ and $2{\Times}10^{19} to 3{\Times}10^{20} cm^{-3}$ at the seed to the tail part of the grown crystal, respectively. The averaged dislocation etch pit density is found to be less than $8000 cm^{-2}$ throughout the ingot. It is also found that there is some evidence of lattice hardening for the crystal in which the dislocation density is decreased to less than $1000 cm^{-2}$ as In concentration increases. The resistivity increases abruptly from $10^{-2}$ up to $10^8$ Ohm-cm, while the carrier concentration decreases from $10^{16}$ to $10^8 cm^{-3}$ along the growth direction of the GaAs crystal. Semi-insulating properties can be obtained above a critical concentration of Cr of about $6{\Times}10{^16} cm^{-3}$ in the crystal. The main deep levels existing in the GaAs: Cr,In sample are two electron traps at $E_C-0.81eV, E_C-0.35eV$, and two hole traps at $E_V+0.89eV, E_V+0.65eV$.

직경 2인치 갈륨비소 단결정을 위한 수직온도구배냉각 결정성장치를 제작하여 크롬과 인듐이 함께 도핑된 반절연 갈륨비소 단결정을 성장하였다. 함께 도핑된 결정에 대해서,불순물의 편석계수는 크롬 또는 인듐만을 도핑한 결정에서 편석계수와 비교할 때 변하지 않고 같은 값을 갖는다. 크롬과 인듐의 농도는 결정의 종자부분 부터 꼬리부분까지 각각 $2{\Times}10^{16}~3{\Times}10^{17} cm^{-3}$과 $2{\Times}10^{19}~3{\Times}10^{20} cm^{-3}$의 범위내에서 분포되었다. 평균 전위밀도는 결정의 전 영역에 걸쳐 약 $8000cm^{-2}$ 미만으로 관측되었다. 또한 인듐농도가 증가함에 따라 전위 밀도가 $1000m^{-2}$ 미만으로 감소하는 격자강화의 효과도 관찰할 수 있었다. 갈륨비소의 결정성장 방향에 따라 캐리어의 농도는 $10^{16}$에서 $10^8cm^{-3}$로 감소한 반면 비저항 값은 $10^{-2}$에서 $10^8$ Ohm-cm로 급격하게 증가하였다. 반절연의 특성은 크롬농도 약 $6{\Times}10^{16}cm^{-3}$의 농도이상에서 얻을 수 있었다. 성장된 단결정 내의 깊은 준위는 두 개의 전자덫인 $E_C-0.81eV, E_C-0.35eV$와 두 개의 정공덫인$E_V+0.89eV, E_V+0.65eV$이다.