The properties of hydrogen in GaAs material has been investigated. The various states of hydrogen are detailed, together with incorporation of hydrogen atom with shallow and deep levels defects that passivate their electrical activity. The passivation and dissociation process of the hydrogen-Si donor complex in plasma-hydrogenated GaAs was presented. Also, it is demonstrated that atomic hydrogen drifts as a negatively charged state in n-type GaAs and the high-electric field strongly affects the dissociation of the hydrogen-donor complex. During reverse-bias anneal experiments on the Schottky diode, it is confirmed that a negatively charged hydrogen is accelerated out of the high-field region and that there is a dissociation frequency region independent of the anneal temperature. In the dissociation frequency region dependent on the anneal temperature, the first-order kinetics gives rise to the dissociation energy for the release of the hydrogen-Si donor complex. The dissociation energies are dependent on the applied bias voltage and are in the ranges of 1.79 to 1.1 eV.
New metastable behavior of deep level defects is found in hydrogenated GaAs doped with Si. A deep level defect at 0.60 eV below the conduction band minimum($E_c$) is generated during hydrogenation and shows metastable behavior for the $E_c$-0.42eV trap. Thermal annealing experiments under the biased and the unbiased conditions confirm that during hydrogenation the 0.60eV trap is generated, as a metastable defect for the native defect at 0.42 eV, and the complete passivation of the 0.42 or the 0.33 eV trap during hydrogenation is due to passivation of the trap by hydrogen atom, forming hydrogen-defect complex. The first order kinetics permits a precise estimate of the formation and annealing frequencies $\nu\,_f$ and $\nu\,_a$ of the hydrogen-defect pair. The temperature dependent values of $\nu\,_a$ for the 0.60 eV trap satisfy the relation $\nu\,_a=0.82\times 10^{13}$ $exp((-1.61\pm 0.04 eV)/kT)S^{-1}$. It is proposed that this activation energy could be the value required for the release of hydrogen atom bound to a point defect in GaAs.
The annealing and hydrogenation behavior for EL2($E_c$-0.81 eV) and EL6 ($E_c$-0.35 eV) as dominant deep levels in GaAs were investigated. During the rapid thermal annealing and hydrogenation process, it is confirmed that there is a relation between a midgap level group(the EL2 group) at 0.73 eV, 0.81 eV, and 0.87 eV, and a deep level group(the EL6 griop) at 0.27 eV, 0.18 eV, and 0.22 eV below the conduction band minimum. Then, a relation between two groups and their origins is discussed.
Schottky diode characteristics and deep levels in Si-doped n-type GaAs after hydrogen plasma exposure have been investigated as a function of substrate temperature during the hydrogenation. The barrier height and reverse breakdown voltage of Au-Schottky diode on Si-doped GaAs increased during hydrogen plasma exposure. The ideality factor of the hydrogenated samples was lowered to 1.11 at substrate temperature ranges of 150-250°C and deep levels in these samples were effectively passivated at the temperature ranges. These properties of n-GaAs are related to hydrogen redistribution in an electrically passivated surface layer. In this work, It is presented that the good diode characteristic and the most effective passivation of deep level defects in GaAs can be achieved in the substrate temperature of about of 200°C and the 0.06W/$cm^2$ power density, as an optimum hydrogenation condition.
Hydrogenation effect on electrical and optical properties in GaAs epi-layers grown on Si substrate by metalorganic chemical vapor deposition(MOCVD) have been investigated. In as-grown GaAs layers on Si substrate, typical four deep levels at 0.81, 0.68, 0.57, and 0.53 eV below the conduction band were observed. After hydrogen plasma exposure at 250 °C for 2.5h, however, the 0.68 eV level of these deep levels disappeared. Especially, the reverse leakage current in the hydrogenated sample decreased three order of magnitude of that in the untreated sample. These effect was endured after dehydrogenation process with a 5 min, 400°C anneal. These results indicate that the hydrogenation for GaAs-on-Si has some benefits to its device application, such as the stress release of hetero-structures and devices characteristics.
갈륨비소 화합물 반도체내에서 얕은준위 불순물이나 깊은준위 결함등의 전기적 활성도를 비활성화시키는 수소원자의 결합과정 및 여러가지 전하 상태등을 조사하였다.
플라즈마 수소화에 의해 수소화된 갈륨비소내의 실리콘 도우너와 수소원자 복합체의 결합과 해리과정을 연구하였다. 특히, N 형 갈륨비소 화합물 반도체내에서 수소원자는 음전하 상태로 거동하며, 큰 전장에의해 수소-도우너 복합체의 해리과정이 가속화됨을 확인하였다. 또한, 전장-열처리 해리 과정에서 열처리 온도와는 독립적인 해리 주파수영역이 존재함을 관측하였고, 온도의존성 분해 주파수영역에서는 수소-도우너 복합체의 해리에너지를 열역학적으로 고려하였다. 그때 계산된 해리에너지는 인가된 전장에 의존하면서 1.79 에서 1.1 eV 범위에 존재한다.
새로운 준안정성 깊은 준위 결함상태가 수소화된 갈륨비소 화합물반도체에서 관측되었다. 전도대로부터 0.60 eV 아래에 존재하는 깊은 준위 결함이 수소화과정에서 생성되었으며, 이 새로운 결함상태는 전도대아래 0.42 eV 의 에너지준위를 갖는 다른 깊은 준위 결함상태에대하여 준안정성 거동을 보였다. 수소화에의해 생성된 0.60 eV 준위 결함은 갈륨비소내의 타고난 0.42 eV 준위 결함상태의 준안정상태로서 전장-열처리 연구로부터 확인되었다. 또한, 수소화후 0.42 eV 준위 결함과 0.33 eV 준위 결함의 완전한 전기적 비활성화현상은 수소원자가 그 깊은 준위 결함의 전기적 중화작용에의 한 것으로 해석된다. 이 깊은 준위 결함상태와 수소결합체의 해리 및 결합에너지가 얻어졌는데, 그때 해리 에너지는 1.61 ± 0.05 eV 이었다. 이 값은 N형 갈륨비소 화합물반도체내에서 수소원자와 깊은 준위 결함상태의 점결함과의 해리에 필요한 에너지라고 생각된다.
갈륨비소 화합물 반도체내의 타고난 깊은 준위 결함상태로서 잘 알려진 EL2 (전도대아래 0.81 eV) 와 EL6 (0.35 eV) 결함에 대한 열처리 및 수소화효과를 연구하였다. 고온 급속열처리와 수소화처리과정을 통해 EL2와 EL6는 각각 군을 이루고있으며, EL2군의 경우 전도대아래 0.73 eV, 0.81eV, 0.87 eV의 에너지를 갖으며, EL6군의 경우 전도대아래 0.27 eV, 0.18 eV, 0.22 eV의 에너지를 갖는다. 이들의 열처리후 거동이 서로 상관관계가 있음을 확인하였으며, 이 결함상태들의 미시적근원도 논의하였다.
수소화가 갈륨비소 화합물 반도체의 소자특성에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 특히 수소화조건중에 기판의 온도에 따른 Schottky 소자의 장벽높이, 항복전압, 누설전류 특성 등을 조사하였다. 수소화된 소자의 이상지수가 150 - 250 °C의 기판온도 영역에서 1.11을 얻었으며, 이 조건에서 깊은 준위 결함상태가 효과적으로 감소되었다. 이 연구에서 수소화의 최적조건을 제시하였으며, 그 조건에서 가장 우수한 소자특성을 얻을 수 있었다.
실리콘기판위에 성장된 갈륨비소 화합물반도체의 전기적 광학적 특성에 수소화가 미치는영향이 조사되었다. 실리콘기판위에 성장된 갈륨비소 화합물반도체에서 전도대아래 0.81, 0.68, 0.57, 0.53 eV 위치에 전형적으로 4개의 깊은 준위 결함상태가 존재함을 관측하였다. 이들중 0.68 eV 준위 결함은 250 °C, 2.5 시간 수소화후에 거의 사라졌다. 수소화후 위 시료의 누설전류도 1000 배 가량 감소하였으며, 특히 실리콘과 갈륨비소사이에 형성된 응력도 약 10% 감소함을 광 발광연구로 확인하였다. 이는 400 °C 에서 5 분간 탈수소화 과정후에서도 지속되었다. 이로 부터 수소화의 장점을 이용한 소자제작 및 결함상태제어등의 응용가능성을 확인하였다.
