Проектирование n-типа тонких пленок GeBi методом молекулярно-лучевой эпитаксии: кристаллический контроль и ИК/THz оптические свойства

Аннотация

Сплавы германий-висмут (Ge₁₋ₓBiₓ) выступают перспективными полупроводниками для инфракрасного диапазона благодаря настраиваемой запрещенной зоне и высокой подвижности носителей заряда. В работе сообщается о низкотемпературном выращивании n-типа тонких пленок GeBi методом молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) с содержанием Bi от 2 % до 22,2 %. Комплексный структурный анализ рентгеновской дифракцией (XRD), сканирующей электронной микроскопией (SEM) и атомно-силовой микроскопией (AFM) подтвердил успешное включение Bi и эволюцию криystallографической ориентации от (014) к (012) с ростом содержания Bi. Оптические измерения показали, что легирование Bi снижает отражательную способность, повышает проницаемость в ближнем ИК-диапазоне и сдвигает край поглощения до 2,3 мкм, охватывая C- и L-полосы. ТГц-спектроскопия выявила, что умеренное включение Bi снижает ТГц-прозрачность, обеспечивая настраиваемый ТГц-отклик. Результаты позиционируют пленки GeBi как универсальные материалы для ИК- и ТГц-фотонных устройств.

Введение

Расширение плотного волнового мультиплексирования (DWDM) в L-полосу (1,56–1,62 мкм) требует оптоэлектронных детекторов, работающих во всем диапазоне 1,44–1,93 мкм. Существующие сплавы на базе Ge (GeSi, GeSn) достигли края поглощения до 1,6 мкм, оставляя барьер 2 мкм недостижимым для среднеИК-сенсорики и свободно-пространственной связи.

GeBi представляет убедительную альтернативу: легирование Bi в решетку Ge позволяет спроектировать запрещенную зону к более длинным волнам, сохраняя n-типовую проводимость. Предыдущие работы по GeSn и GeBi демонстрировали потенциал высокопроизводительных детекторов в диапазоне 1,3–1,6 мкм, но край поглощения оставался ограниченным. Настоящее исследование показывает, что пленки GeBi, выращенные MBE, могут достичь края поглощения 2,3 мкм, эффективно замыкая разрыв между C- и L-полосами детектирования.

Экспериментальные процедуры

Пленки GeBi осаждали на p-типе Si(100) подложках в кастомной камере MBE при базовом давлении 4×10⁻⁹ – 5×10⁻¹⁰ Торр. Ge и Bi поставляли из эффузных ячеек, нагретых до 1200 °C и 400–550 °C соответственно, для контроля отношения потоков. Температура подложки поддерживали 150 °C, скорость роста составляла 1,66–2,50 нм/мин. Детальные параметры роста приведены в Таблице 1.

Структурную характеристику выполняли гразинг-инцидент XRD, SEM (JMS6490LV, JEOL), AFM (300 HV, SEIKO) и Рамановской спектроскопией (LabRAM HR, Edinburgh Instruments). Оптическое поглощение и проницаемость измеряли спектрометром Lambda 75 UV/VIS/NIR и фурье-спектрометром дальнего ИК. ТГц-пропускание получали методом временной области (THz-TDS).

Результаты и обсуждение

XRD-анализ
Рис. 1 показывает четкие дифракционные пики GeBi для всех образцов. При низком Bi (x=0,020) пленка ориентирована по (014). С ростом Bi до x=0,102 пик (104) слабеет, появляется пик (012). Для x≥0,183 ориентация (012) доминирует, что указывает на деформационно-обусловленную реориентацию из-за большей решетковой постоянной Bi.

Морфология SEM
Рис. 2 иллюстрирует эволюцию поверхности. При 2 % Bi пленка гладкая (Рис. 2a). При 10,2 % Bi появляются изолированные Bi-богатые точки 33–42 нм (Рис. 2b). Выше 18,3 % Bi наблюдаются вторичные фазы (аморфный Bi, Ge) рядом с основной фазой GeBi, размер зерен до ~1 мкм (Рис. 2c,d). Излишки Bi за пределами растворимости сегрегируют на границах зерен, создавая шероховатость.

Шероховатость поверхности AFM
Рис. 3 показывает AFM-топографии. Среднеквадратичная шероховатость (RMS) резко возрастает с Bi, достигая ~15 нм при 20,3 % Bi. Повышенная шероховатость согласуется с сегрегацией Bi, замеченной в SEM.

Рамановская спектроскопия
Рис. 4 демонстрирует Ge-Bi вибрационный моду около 190 см⁻¹. С ростом Bi пик усиливается и сдвигается к большим волновым числам, указывая на усиление решетчного напряжения и успешное включение Bi.

Оптические свойства в ближнем ИК
Рис. 5a показывает снижение отражательной способности в диапазоне 1014–2500 нм с ростом Bi, что означает более высокое поглощение. Поглощение в яме 1932–1938 нм (косвенная запрещенная зона) уменьшается и исчезает при Bi > 20 %. Прямое-переходное поглощение около 1446–1452 нм также ослабевает при высоком Bi. Рис. 5b показывает изгиб проницаемости около 1020 нм, связанный с краем зоны Si-подложки. В целом, выше Bi снижает отражение и корректирует проницаемость в ближнем ИК, повышая чувствительность детекторов.

Дальний ИК и ТГц отклик
Рис. 6a,b выявляют стабильное окно прозрачности 4–15 мкм, а Рис. 6c показывает рост поглощения с 9,3 % до 22,6 % при увеличении Bi от 2 % до 10,2 %. Выше 10 % Bi поглощение имеет пик 1–7,5 мкм и падает на больших длинах волн, отражая шероховатость и образование Bi-фаз. ТГц-пропускание (Рис. 7) снижается ~10 % при росте Bi от 2 % до 10,2 %, но немного восстанавливается при 18,3–22,2 % Bi, указывая на настраиваемое ТГц-поглощение для модуляторов.

Заключение

Успешно выращены n-типа тонкие пленки Ge₁₋ₓBiₓ (x=0–0,222) на p-Si(100) низкотемпературным MBE. XRD и SEM подтверждают, что включение Bi диктует криystallографическую ориентацию и микроструктуру, тогда как AFM и Раман доказывают модуляцию решетчного напряжения. Оптические исследования демонстрируют, что умеренное легирование Bi снижает ИК-отражение, расширяет край поглощения до 2,3 мкм и настраивает ТГц-пропускание, делая GeBi сильным кандидатом для широкополосных ИК-детекторов и ТГц-модуляторов.

Аббревиатуры

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

MBE:

Молекулярно-лучевая эпитаксия

SEM:

Раскатная электронная микроскопия

THz:

Терагерцы

XRD:

Рентгеновская дифракция