DEFECTOS EN SEMICONDUCTORES.

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1 DEFECTOS EN SEMICONDUCTORES

2 Teoria de los semiconductores
Se tiene dos tipos de semiconductores: los puros y los extrínsecos: Puros o intrínsecos (Silicio, Germanio y Arsenuro de Galio) Semiconductores Del tipo N Extrínsecos Del tipo P

3 Veremos algunos ejemplos del potencial de los isótopos radioactivos para solucionar diversos problemas relacionados con la fisica de semiconductores. Estos isótopos pueden ser tanto difundidos o implantados en el material en estudio. Una importante ventaja de emplear núcleos radioactivos es la capacidad de detectar señales de muy pequeñas cantidades de impurezas. Las energías para implantación (keV - MeV) son mucho mas elevadas que las energias de enlace de los átomos en un cristal, por lo que es necesario posteriormente un tratamiento térmico para eliminar las altas concentraciones de defectos intrínsecos.

4 Green luminescence in ZnO
Neutrino-Recoil-Induced Frenkel Pairs in InSb Observed by Mössbauer Spectroscopy. A Mössbauer study of the electronic configuration of Sb donors and acceptors in semiconductors Green luminescence in ZnO

5 Experiments at the ISL, HMI Berlin
Neutrino-Recoil-Induced Frenkel Pairs in InSb Observed by Mössbauer Spectroscopy Experiments at the ISL, HMI Berlin L. Wende, R. Sielemann, GW Creación de defectos intrínsecos (vacancias, intersticiales) e impurezas por efectos de retroceso. Se ha correlacionado la producción de pares de Frenkel en InSb con un estudio de éstos por espectroscopía Mössbauer, que proporciona información sobre los defectos intrínsecos. En estos estudios se introduce la sonda Mössbauer, mediante la implantación de 119Xe, que por emisión beta decae a 119Te 119 Sn 119 Te (16h) 119 Sb (38h)

6 En la figura: 80% del núcleo 119Te decae a un estado exitado a 644 keV en 119Sb via captura electrónica.

7 El resultado de la energía de retroceso de los átomos de Sb se obtiene:
donde: : es la diferencia de masa entre el 119 Te neutro y 119 Sb : es la energia del estado exitado en Sb : es la masa de 119 Sb : es la energia de enlace del electrón de la capa K del 119 Te

8 InSb En este experimento se eligió InSb debido a que presenta una energia umbral Ed para la producción de pares de Frenkel de aproximadamente 6-10 eV. Esta muestra fue implantada por retroceso radioactivo de iones Xe producida por la reacción Pd(O,4n)Xe, despues decae completamente de 119Xe/119I a 119Te, esta muestra fue recocida a 700 K en atmosfera de Argón por 10 min. y enfriada a 4.2 K.

9 119 Te recocido a 700 K y enfriado a 4.2 K
119 Sb recocido y enfriado 119m Te recocido y enfriado

10 La linea defecto en el primer espectro supuestamente se creó como resultado de la decaimiento nuclear del Te, es decir, por el efecto de retroceso del neutrino. Para probar este origen inexplicable, realizarón un segundo tipo de experimento: la radioactividad del 119m Te, es decir, un estado en el que es quimicamente identico al 119 Te pero se diferencia en la propiedades de desintegración nuclear. Casi el 90% de la desintegración lleva energias de retroceso de alrededor de 6 eV y sólo un 10% causa una energia de retroceso de 20 eV. Esta muestra contiene más del 80% Te, este resultado demuestra claramente que la linea defecto en la figura se debe al retroceso del neutrino.

11 Tabla: Parámetros mössbauer para 119Sn en InSb despues de la desintegración del Te via captura electronica medido a 4.2 K La linea Mössbauer atribuida al 119Sn en esta configuración en compuestos III-V, muestra un incremento sistemático del IS por ~ 0,3 mm/s, comparado con los sitios substitucionales V (d=1.52 mm/s). El valor del IS para la linea defecto es compatible con los corrimientos encontrados tanto experimentales y teóricos para Sn intersticial em diversos semiconductores.

12 G J Kemerrink, H Andreasen, H de Waard and G Weyer
A Mössbauer study of the electronic configuration of Sb donors and acceptors in semiconductors G J Kemerrink, H Andreasen, H de Waard and G Weyer Se han determinado corrimientos isoméricos de 121Sb en semiconductores para elementos del grupo IV y compuestos semiconductores II-VI. En estos materiales el Sb puede actuar como impureza donante, así como aceptora. Los materiales cristalinos han sido implantados a RT con iones 121Xe+ (T1/2= 39 min) o 121Cs+ (T1/2= 2 min), luego se realizó un recocido despues del decaimiento del isótopo precursor al 121Te (T1/2=16,8d) Los compuestos semiconductores fueron recocidos em vacio por 20 minutos a diferentes temperaturas.

13 Muestra de Si recocida por láser:
A: Espectro mössbauer 121 Sb de conductividad tipo n. P+ B: Conductividad tipo-p. B+ Temperatura de Debye q de 243(6) K, que está cerca de los valores medios: q de 234(5) K Sn q de 232(2) K Te

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15 Por otra parte se sabe que por irradiación laser , las impurezas Te así como los dopantes P y B se incorporan substitucionalmente a un alto grado, y por tanto se convierten en electricamente activas. Para el Ge y varios compuestos del grupo II-VI, se encontro tanto una componente substitucional asi como una fuerte componente defecto con un S=-3, (Sb : S=-3, ) En los compuestos II-VI despues del recocido la segunda componente defecto tiende a disminuir.

16 Green luminescence in ZnO
Un defecto observado a menudo en ZnO se caracteriza por la llamada “estructura” de luminiscencia verde. El origen de esta luminiscencia de ha atribuido a Cu residiendo substitucionalmente en los sitios de Zn. Usando la técnica “ion beam channeling effect”, la detección de impurezas se limita a concentraciones de por lo menos 1018 cm-3. La sensibilidad de esta técnica se puede mejorar con el uso de impurezas radioactivas localizadas en el interior del cristal, que emitan particulas cargadas. Asi, utilizando la técnica de “emisión channeling” (EC), se ha determinado la localización de Cu implantado en ZnO utilizando las particulas beta emitidas por el isótopo radioactivo 67Cu (T1/2=61,9h).

17 La figura (izquierda) muestra el patron de channeling registrado en torno de cuatro ejes diferentes del cristal despues de recocido a 473 K. A la derecha se muestra una simulación teorica. Los resultados dan aproximadamente un 70% de átomos de Cu localizados substitucionalmente en los sitios de Zn.

18 Se utiliza la FT para aclarar la participación de Cu en el efecto que causa la luminiscencia verdeen ZnO Cristales de ZnO no dopados han sido implantados con iones radioactivos 64Cu, que decaen con una vida media de 12,7h ya sea al 64Zn o al 64Ni, recocido a 1073 K. La figura muestra los espectros PL registrados entre 3 y 72 horas despues del recocido. La constante de tiempo de este incremento corresponde a la vida media del decaimiento nuclear de 64Cu.

19 Sigue siendo posible que la luminiscencia verde esté relacionada com el aumento de la concentración de 64Ni causada por el decaimiento de 64 Cu. Esto se puede excluido con un segundo experimento PL, en el cual el ZnO se dopo con 65Ni radioactivo, que decae al 65Cu con una vida media de 2.52 h. Lo que se excluye tambien al Ni como origen de la banda verde. Los decaimientos - b de 64Cu y 65Ni involucran energias de retroceso de 23.5 y 37.7 eV, respectivamente, las cuales son mas altos que el desplazamiento de energia calculado de 18.5 eV para el Zn en ZnO, esto significa que debido al decaimiento de retroceso el nucleo hijo creado puede ser desplazado de los sitios de la red, de esta manera crean vacancia em las sub-redes de Zn.

20 Gracias ...