Formação de dipolos em heteroestruturas de GaAs e SnO2 com dopagem de terras raras, avaliação de propriedades elétricas e influência de luz

Abstract

Este trabalho tem a proposta de contribuir com a compreensão das propriedades elétricas de heteroestruturas formadas pelo semicondutor óxido SnO2 e o semicondutor III-V GaAs, visando aplicações em dispositivos optoeletrônicos, como por exemplo, transistores de efeito de campo transparentes e Lasers. A heteroestrutura GaAs/SnO2, depositada na forma de filmes finos, onde a camada de SnO2 é dopada com íons terras raras trivalentes Er3+ ou Eu3+, permite a luminescência desses íons quando o SnO2 é depositado sobre o GaAs o que não é observado quando a camada dopada é depositada sobre substrato de vidro. A formação de dipolos elétricos nas camadas individuais e na interface de GaAs e SnO2, pode, dentre outras evidências, estar também relacionada à essa luminescência. Os filmes finos de SnO2:Er (ou Eu), são depositados via sol-gel, por dip-coating ou evaporação do pó gerado pelo processo sol-gel, ao passo que no caso de GaAs, são usados filmes comercialmente disponíveis ou depositado via evaporação resistiva. Medidas de Corrente de Despolarização Termicamente Estimulada (CDTE) mostram a formação de banda, com picos entre 175 K e 330 K, variando com o sentido da polarização e magnitude da tensão elétrica de polarização utilizada. Comparando medidas de polarização de +20 V, com –20 V observa-se que o pico é menor para polarização negativa, independente do sistema que é utilizado para as medidas. A inversão do sinal da corrente com a inversão da polarização deve estar associada ao processo de carga e descarga de defeitos dipolares na interface da heteroestrutura, formados pelos defeitos carregados Vo+, EL2+ e Er- (ou Eu-, conforme dopagem) que interagem entre eles sob influência de fatores externos, como campo elétrico, luz e variação de temperatura. Verificou-se que a luz ambiente ou monocromática tem influência significativa nos dipolos da heteroestrutura GaAs/SnO2, provocando respostas diferentes em relação aos resultados obtidos. Esse efeito também é observado em medidas de Corrente x Tensão elétrica (i x V), além do aumento da corrente com a temperatura. Através das curvas de CDTE, foram obtidos valores de energia de ativação entre 0,2 eV e 0,3 eV, tanto em amostras dopadas com Érbio, quanto Európio, que estão em boa concordância com valores de ionização de defeitos típicos em SnO2 e GaAs já publicados. Esses níveis sugerem possíveis relações com o comportamento elétrico foto–induzido na heteroestrutura SnO2/GaAs, bem como a fotoluminescência observada. Resultados de Corrente x Tensão elétrica (i x V) mostram maiores valores sob polarização direta, o que é esperado para uma junção deste tipo. Medidas de Corrente de Despolarização Termicamente Estimulada Fotoinduzida (CDTEFI) e Corrente x Tensão elétrica (i x V) sob luz polarizada de um Laser de He-Cd (3,82 eV) e de um LED de InGaN (2,76 eV) também foram realizadas e os resultados mostraram claramente que as bandas obtidas no caso de CDTE são reduzidas ou totalmente destruídas quando a heteroestrutura é irradiada com energia luminosa. Ao contrário da medida de CDTE, no caso de (i x V), os valores de corrente elétrica são aumentados sob excitação de luz e a curva característica destas medidas de (i x V) é muito semelhante à de dispositivos semicondutores, como por exemplo, um diodo retificador ou LED.

This work aims to contribute to the understanding of the electrical properties of heterostructures formed by the oxide semiconductor SnO2 and the III-V semiconductor GaAs, pointing to applications in optoelectronic devices, such as transparent field effect transistors and lasers. The GaAs/SnO2 heterostructure, deposited in the form of thin films, where the SnO2 layer is doped with trivalent rare earth ions Er3+ or Eu3+, allows the luminescence of these ions, which is not observed when the doped layer is deposited on glass substrates. The formation of electric dipoles in the individual layers and at the interface of GaAs and SnO2, may, among other evidences, also be related to this luminescence. Thin films of SnO2:Er (or Eu), are deposited via sol-gel, by dip-coating or evaporation of the powder generated by the sol-gel process, while in the case of GaAs, commercially available films are used or films deposited via resistive evaporation technique. Thermally Stimulated Depolarization Current (TSDC) measurements show band formation, with peaks between 175 K and 330 K, varying with the direction of polarization and magnitude of the electric bias used. Comparing measurements with polarization of +20 V with –20 V, it is observed that the peak is lower for negative polarization, regardless of the system that is used for the measurements. The inversion of the current signal with the inversion of polarization must be associated with the process of charging and discharging of dipolar defects at the interface of the heterostructure, formed by the charged defects Vo+ , EL2+ and Er- (or Eu- , depending on doping) that interact with each other under the influence of external factors, such as electric field, light and temperature variation. It was found that ambient or monochromatic light has a significant influence on the dipoles of the GaAs/SnO2 heterostructure, leading to different responses in relation to the results obtained. This effect is also observed in measurements of Current x Voltage (i x V), in addition to the increase in current with temperature. Through the TSDC curves, activation energy values between 0.2 eV and 0.3 eV were obtained, both in erbium and europium-doped samples, which are in good agreement with published ionization values of typical defects in SnO2 and GaAs. These levels suggest possible relationships with the photo–induced electrical behavior in the SnO2/GaAs heterostructure, as well as the observed photoluminescence. Current x voltage (i x V) results show higher values under direct polarization, which is expected for a junction of this type. Measurements of Photoinduced Thermally Stimulated Depolarization Current (FITSDC) and Current x Voltage (i x V) under polarized light from a He-Cd Laser (3.82 eV) or an InGaN LED (2.76 eV) were also performed, and the results clearly showed that the obtained bands in the case of TSDC (in the dark) are reduced or totally destroyed when the heterostructure is irradiated with light sources. In contrast to the TSDC measurement, in the case of (i x V), the electric current values are increased under light excitation and the characteristic curve of these measurements of (i x V) is very similar to that of semiconductor devices, such as a rectifier diode or LED