Получение и оптические свойства пленок GeBi с использованием метода молекулярно-лучевой эпитаксии

Фон

В области оптической связи длина оптической волны в технологии плотного мультиплексирования с разделением по длине волны в настоящее время расширилась с C-диапазона (1,53–1,56 мкм) до L-диапазона (1,56–1,62 мкм). Таким образом, длина волны оптоэлектронных детекторов должна включать C-диапазон и L-диапазон. Однако из-за появления новых приложений в средней инфракрасной области длина волны отсечки детектора должна быть больше 2 мкм. Важно подготовить полупроводниковые фотоэлектрические детекторы в ближнем и дальнем инфракрасном диапазонах волн с длиной волны в диапазоне 2–10 мкм [1,2,3,4].

К настоящему времени доказано, что сплавы на основе Ge являются перспективными материалами для оптоэлектронных детекторов инфракрасного диапазона. В 1984 г. в лабораториях AT&T. Bell Laboratories методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МБЭ) были изготовлены пленочные n-i-p устройства на основе GeSi с рабочей длиной волны 1,45 мкм [5, 6]. В 2010 г. в Штутгартском университете были изготовлены пленки GeSn с содержанием 0,5–3% Sn с использованием низких температур роста и штыревых детекторов с рабочей длиной волны 1,2–1,6 мкм [7,8,9,10]. В 2011 г. академик Китайской академии наук Ван Цимин подготовил сплав GeSn с содержанием олова 1,0–3,5%, а затем успешно изготовил штыревые детекторы с рабочей длиной волны 1,3–1,6 мкм [11,12,13]. В 2014 г. M. Oehme разработал фотодетекторы GeSn / Ge с множественными квантовыми ямами с вертикальной структурой и частотой отсечки штыря выше 1,6 мкм [14]. В 2015 г. С. Виртс успешно приготовил пленки GeSn с прямой запрещенной зоной и изготовил пленочные детекторы GeSn с длиной волны 1,5 мкм [15]. К. Токо изготовил оптоэлектронные устройства с длиной волны 1,2–1,6 мкм на гибких подложках с помощью технологии высокочастотного магнетронного распыления [16]. Однако длина волны отсечки полупроводниковых инфракрасных детекторов GeSi и GeSn все еще меньше 2,0 мкм, а длина волны приложения не может включать весь C-диапазон и L-диапазон. Для решения этой проблемы будет полезно найти новые материалы с большей длиной волны отсечки.

Здесь мы сообщаем о приготовлении и оптических свойствах тонкой полупроводниковой пленки GeBi n-типа с большей длиной волны отсечки с помощью метода МПЭ. Частота среза составляла 2,3 мкм, а длина волны для приложений находилась в диапазоне от 1,44 до 1,93 мкм, который включает как C-диапазон, так и L-диапазон. В этом исследовании влияние легирования Bi на инфракрасные и терагерцовые (ТГц) свойства Ge _{1 - x} Би _x фильмы подробно исследованы.

Экспериментальные процедуры

Пленки GeBi были выращены методом МЛЭ при давлении вакуума 4 × 10 ⁻⁹ . до 5 × 10 ⁻¹⁰ Торрс. Атомы Ge и атомы Bi выбрасывались из источника Ge (1200 ° C) и источника Bi (400–550 ° C) соответственно, которые попадали на поверхность (100) подложки монокристаллической пластины Si p-типа, и наконец сформировал фильмы. Температура подложки составляла 150 ° C, а скорость роста составляла от 1,66 до 2,50 нм / мин. Подробные параметры роста пленок GeBi приведены в таблице 1.

Фазообразование пленок GeBi характеризовали методом дифракции рентгеновских лучей (XRD) скользящего падения. Морфологию пленок GeBi анализировали с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM; JMS6490LV, JEOL, Токио, Япония). Шероховатость образцов проверялась методом атомно-силовой микроскопии (AFM, 300 HV, SEIKO, Япония). Рамановскую спектроскопию проверяли на рамановском спектрометре (LabRAM HR, Эдисон, Нью-Джерси, США). Свойства пленок GeBi в ближнем и дальнем инфракрасном диапазоне были измерены с помощью оптического спектрометра (Lambda 75UV / VIS / NIR) и спектрометра в дальней инфракрасной области. Свойства пропускания терагерцовой волны были измерены методом терагерцовой спектроскопии во временной области.

Результаты и обсуждение

На рисунке 1 показаны дифрактограммы свежеприготовленного Ge _{1 - x} . Би _x фильмы. Видно, что характерные дифракционные пики, которые можно отнести к сплавам GeBi, можно найти во всех ростовых образцах МЛЭ. На рисунке 1 показаны результаты XRD Ge _{1 - x} Би _x пленки, выращенные методом МБЭ без термической обработки. Все образцы показывают дифракционные пики пленки GeBi, в то время как кристаллические свойства образцов меняются при изменении содержания Bi ( x ) изменяется с 0,020 до 0,222. Когда содержание Bi низкое ( x =0,020), Ge _0,980 Bi _0,02 Было обнаружено, что пленка ориентирована в направлении (014), см. рис. 1. При увеличении содержания Bi до x =0,102, рядом с пиком (104), расположенным около 2 θ =38,2 ^o , пик (012) пленки GeBi расположен около 2 θ =27,2 ^o начинает появляться. При увеличении содержания Bi ( x ) от 0,183 до 0,222 интенсивность пика (012) резко возросла, а пик (104) практически исчез. Это указывает на Ge _{1 - x} Би _x пленки с более высоким содержанием Bi предпочтительно были ориентированы вдоль направления (012) вместо направления (104). Различное содержание Bi влияло на микроструктуру пленок. Для пленок GeBi с различным содержанием Bi изменение параметров роста может повлиять на предпочтительную ориентацию роста. Мы предполагаем, что из-за низкой температуры плавления атомов Bi атомы Bi образовывали группы с атомами Ge, входили в кристаллические решетки и образовывали ячейки Ge-Bi. Результаты XRD показывают, что пленки GeBi были успешно получены методом МБЭ, и их кристаллическими свойствами можно было управлять, изменяя содержание Bi в Ge _{1 - x} Би _x фильмы.

Рентгенограммы Ge _{1 - x} Би _x пленка пленки GeBi с различным содержанием Bi от x =От 0,020 до x =0,222

Типичные SEM-изображения Ge _{1 - x} Би _x образцы пленок представлены на рис. 2. При содержании Bi 2,0% ( x =0,02) пленка GeBi хорошо росла, и ее поверхность оказалась очень гладкой, см. Рис. 2а. Когда содержание Bi увеличилось до 10,2%, в гомогенной среде появилось несколько маленьких точек, что было выражением начального процесса образования новых фаз, см. Рис. 2b. Из-за принципа наименьшей энергии поверхностные атомы Bi сегрегировались и объединялись в группы (размер 33–42 нм). Когда содержание Bi достигало более 18,3%, в пленке было по крайней мере три фазы, такие как GeBi, аморфный Bi и Ge, см. Рис. 2c, d. Размер зерна пленок GeBi был очень большим, примерно до 1000 нм. Между кристаллическими границами зерен GeBi обнаружены сегрегированные частицы Bi и Ge с малым размером зерна в диапазоне от 30,7 до 118,0 нм. Мы обнаружили, что, когда содержание Bi превышает растворимость в твердом теле в сплаве GeBi, избыточные атомы Bi будут осаждаться и образовывать фазы Bi на границе крупных зерен при низких температурах. Некоторые атомы Ge, которые не могли реагировать с атомами Bi из-за ограничения низкой температуры, также образовывали фазу Ge на границе крупных зерен. Тем не менее, увеличение содержания Bi могло способствовать предпочтительному росту зерен GeBi, и размер зерен изменился с 42 до 100 нм, см. Рис. 2b, d.

Типичные SEM-модели пленок GeBi с различным содержанием Bi: a 2,0%; б 10,2%; c 18,3%; и d 20,3%

На рисунке 3 показаны типичные изображения АСМ Ge _{1 - x} . Би _x пленки с различным содержанием Bi, а также значения Ra и среднеквадратичные значения суммированы в таблице 2. С увеличением содержания Bi значение Ra и среднеквадратичные значения резко увеличиваются, что указывает на шероховатость поверхности Ge _{1 - x} Би _x фильмов увеличивается. Между тем, на рис. 3b – d наблюдались некоторые нерегулярные пики из-за неоднородного размера зерен и мелких зерен на границах зерен. Когда содержание Bi было избыточным, количество атомов Bi, замененных атомами Ge, было ограничено из-за ограничения растворимости Bi в твердом состоянии в сплаве GeBi. Избыточные атомы Bi, нанесенные на пленку, сделали пленки шероховатыми и оказали большое влияние на микроструктуру пленок GeBi, что согласуется с результатами СЭМ.

Результаты АСМ-теста пленок GeBi с различным содержанием Bi: a 2,0%; б 10,2%; c 18,3%; и d 20,3%

На рис. 4 показаны спектры комбинационного рассеяния при комнатной температуре выращенного Ge _{1 - x} . Би _x пленки с разным содержанием Bi, полученные в МБЭ. Серия пиков, расположенных на расстоянии около 190 см ⁻¹ можно отнести к моде колебаний Ge-Bi. С увеличением содержания Bi пик Ge-Bi становился сильнее и сдвигался в сторону более высокого волнового числа (см ⁻¹ ). Переход к более высоким волновым числам указывает на то, что с увеличением содержания Bi увеличивается скорость рассогласования постоянных решетки пленок и деформация решетки в пленках GeBi. Можно сделать вывод, что легирование Bi является эффективным способом настройки деформации решетки Ge _{1 - x} Би _x тонкие пленки из сплава.

Рамановские спектры пленок GeBi с различным содержанием Bi

На рис. 5 показаны свойства пленок GeBi с различным содержанием Bi в ближней инфракрасной области. Характеристики поглощения пленок были получены из их свойств отражения и пропускания. Как показано на рис. 5а, с увеличением содержания Bi отражательная способность пленок GeBi снижается в диапазоне 1014–2500 нм, что указывает на увеличение поглощения пленок. Впадина в диапазоне 1932–1938 нм может быть объяснена непрямым запрещенным поглощением пленок GeBi. Причем глубина энергопоглощающей впадины уменьшается с увеличением содержания Bi. При содержании Bi более 20% долина исчезла в диапазоне 1932–1938 нм. Прямая запрещенная зона пленок GeBi находилась в диапазоне 1446–1452 нм; глубина энергопоглощающей впадины также уменьшается с увеличением содержания Bi. При содержании Bi выше 20,3% впадина исчезает в диапазоне 1446–1452 нм. В заключение следует отметить, что увеличение содержания Bi снижает коэффициент отражения пленок GeBi, увеличивает коэффициент экстинкции и в конечном итоге приводит к уменьшению амплитуды отражения. Как показано на рис. 5b, была точка перегиба около 1020 нм (1,22 эВ), которая была приписана запрещенной зоне Si при 1,12 эВ. Когда длина волны была меньше значения точки перегиба, коэффициент пропускания пленок GeBi и подложки Si был небольшим. В диапазоне 1020–2500 нм коэффициент пропускания возрастал с увеличением длины волны. Однако, когда содержание Bi увеличилось с 18,3 до 22,2%, коэффициент пропускания снизился. В диапазоне 800–1600 нм огромные изменения показателя преломления, коэффициента экстинкции и избыточного содержания Bi влияли на поглощение пленок [17, 18].

Спектры отражения ( a ) и спектры пропускания ( b ) пленок GeBi с различным содержанием Bi в ближнем инфракрасном диапазоне

На рис. 6 показаны свойства пленок GeBi с различным содержанием Bi в дальнем инфракрасном диапазоне волн. Для пленок GeBi имелось высокое и стабильное окно поглощения в диапазоне волн 4–15 мкм, см. Рис. 6а, б. Поскольку принципы отражения и пропускания были разными, мы не могли напрямую получить поглощение пленок GeBi из рис. 6a, b. Мы проанализировали рефракцию и экспериментальные результаты коэффициента экстинкции пленок Ge в диапазоне волн 1–25 мкм [17], рассмотрели влияние содержания Bi на пленки Ge и получили спектры поглощения пленок GeBi в дальнем диапазоне. наконец, инфракрасный диапазон, см. рис. 6c. При увеличении содержания Bi от 2 до 10,2% поглощение увеличивалось с 9,3 до 22,6% в диапазоне от 1 до 25 мкм. Поглощение имело ту же тенденцию при дальнейшем увеличении содержания Bi. Однако при увеличении содержания Bi поглощение Ge _{1 - x} Би _x тонкие пленки увеличивались в диапазоне от 1,0 до 7,5 мкм, а затем уменьшались в диапазоне от 7,5 до 25 мкм. При содержании Bi выше 10% атомы Bi осаждались в пленках GeBi, шероховатость поверхности увеличивалась, а затем уменьшалось поглощение. На рис. 7 показан коэффициент пропускания в ТГц диапазоне как функция частоты для пленок GeBi с различным содержанием Bi. Когда содержание Bi увеличилось с 2 до 10,2%, коэффициент пропускания снизился на 10%. Коэффициент пропускания немного увеличился при увеличении содержания Bi с 18,3 до 22,2%. Измерения пропускания показывают, что свойства ТГц Ge _{1 - x} Би _x тонкие пленки можно настраивать, изменяя содержание Bi, что очень важно для таких приложений, как модуляторы терагерцовых волн [19].

Спектры пропускания ( a ), спектры отражения ( b ) и спектры поглощения ( c ) пленок GeBi с различным содержанием Bi в дальнем инфракрасном диапазоне

Спектры пропускания в ТГц диапазоне пленок GeBi с различным содержанием Bi

Заключение

Таким образом, Ge _{1 - x} Би _x пленки с фракцией Bi x =От 0 до 0,222 были успешно выращены на подложках p-Si (100) с использованием низкотемпературного МПЭ. Результаты XRD и SEM показали, что их кристаллическими и морфологическими свойствами можно управлять, изменяя содержание Bi в Ge _{1 - x} Би _x фильмы. Влияние содержания Bi на оптические свойства, включая инфракрасные и ТГц характеристики Ge _{1 - x} Би _x фильмы систематически исследовались. Умеренное увеличение содержания Bi снижает коэффициент отражения и изменяет коэффициент пропускания в инфракрасных длинах волн. Пропускание пленок GeBi в ТГц диапазоне уменьшалось при умеренном увеличении содержания Bi. Таким образом, можно сделать вывод, что МБЭ Ge _{1 - x} Би _x пленки являются многообещающим материалом как для инфракрасного, так и для терагерцевого диапазона.

Сокращения

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

MBE:

Молекулярно-лучевая эпитаксия

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп

ТГц:

Терагерц

XRD:

Рентгеновская дифракция