Картирование распределения висмута в гетероструктурах GaAsBi/GaAs с помощью аберрационно-корректированного HAADF-STEM

Аннотация

С помощью аберрационно-корректированного высокоуглового аннулярного темнопольного сканирующего проходного электронного микроскопирования (HAADF-STEM) изучено распределение висмута (Bi) в молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) выросших GaAs/GaAs_1-xBi_x/GaAs гетероструктурах, выросших при температуре подложки около 340 °C. Низкоувеличенные HAADF-изображения, подтвержденные энергодисперсионным рентгеновским анализом (ЭДС), показали дефектно-свободные слои, но неравномерную концентрацию Bi на интерфейсах и внутри GaAsBi слоя. Высокоувеличенный количественный HAADF (qHAADF) анализ подтвердил сегрегацию Bi при низком Bi потоке и появление искаженных гантелей структур при повышенном Bi содержании. При увеличении Bi потока Bi-накопления растут в ≈10–12 нм эквиаксиальные частицы, фасетированные вдоль цинкблендовских {111} плоскостей, равномерно диспергированные в матрице и на интерфейсах. Быстрое преобразование Фурье (БПФ) анализ обнаружил сосуществование ромбоэдрического Bi (rh-Bi), встроенного в цинкблендовскую матрицу GaAs_1-xBi_x. Эти кластеры локально расслабляют решетку, в согласии с рентгеновской дифракцией (РД).

Введение

GaAsBi полупроводники привлекли внимание для термически стабильных среднеинфракрасных устройств. Включение малых количеств Bi в решетку GaAs драматически снижает запрещенную зону, ключевой оптоэлектронный эффект. Однако слабая Ga–Bi связь, большой разрыв в смешении и решеточное несоответствие делают включение Bi сложным, требуя неравновесных условий роста для эффективной инкорпорации. Даже при успехе Bi часто сегрегирует в кластеры или капли, создавая нерадиативные рекомбинационные центры, деградирующие характеристики приборов. Склонность к фазовому разделению, поверхностным каплям, атомному упорядочиванию и нанокаплям документировалась рентгеновской абсорбционной спектроскопией (XAS), атомно-силовой микроскопией и РД. Электронный спиновой резонанс (ЭПР) показывает, что примерно 10% включенного Bi занимает Ga позиции. Следовательно, глубокое понимание включения Bi и формирования дефектов критично для оптимизации приборов. Продвинутые инструменты характеризации, особенно аберрационно-корректированный HAADF-STEM, обеспечивают суб-ангстремовое изображения разбавленных алойов, где интенсивность масштабируется со средним атомным номером (Z). qHAADF анализ дополнительно коррелирует HAADF интенсивность с составом атомных колонок в III-V алойах, тогда как высокоразрешающие изображения раскрывают кристаллическое качество.

Данная работа использует аберрационно-корректированный HAADF-STEM и дополнительный ЭДС для зондирования Bi распределения в GaAs/GaAs_1-xBi_x/GaAs гетероструктурах, выросших МЛЭ при ~340 °C. Также исследуется влияние Bi сегрегации на нано- и микро-масштабную структуру с помощью qHAADF, БПФ анализа и РД.

Методы

Две гетероструктуры вырастили твердотельного источника МЛЭ на 2″ n⁺ GaAs:Si (001) подложках. Образец S1 вырос при температуре Bi ячейки 460 °C, S2 — 505 °C. VG V80 МЛЭ система работала при фоновом давлении ~5×10⁻¹⁰ мбар. Каждая структура содержала 130 нм GaAs буфер, 130 нм GaAs_1-xBi_x слой, 5 нм GaAs спейсер и 130 нм GaAs кап. Температуры роста ~580 °C для GaAs слоев и ~340 °C для GaAsBi слоя при почти стехиометричном As₄ потоке. GaAsBi слой отжигали in situ при ~580 °C ~20 мин во время роста кап. Поверхностных металлических капель не наблюдали. Температуры подложки калибровывали оптической термометрией и маркерами поверхностной реконструкции.

Поперечные образцы готовили механическим шлифованием и Ar⁺ ионным полированием с использованием точечной ионной полировки (PIPS). Финальная полировка использовала 1,5 кВ для улучшения качества поверхности, образцы плазменно очищали для минимизации электронно-лучевой депониции.

HAADF-STEM, zero-loss EELS и ЭДS линейные сканы выполняли при 200 кВ на микроскопе Titan³ Themis с Cs-корректором, монохроматором и Super-X ЭДС детектором. Вторично-электронные изображения получали на FEI NOVA NANOSEM 450 при 2 кВ. Bi количественный анализ использовал Bi-M линию при 2,42 кэВ с ПО Bruker Espirit. Толщина образца выводилась из пространственно-разрешенного zero-loss EELS с Digital Micrograph (GATAN™). qHAADF анализ проводили плагином Digital Micrograph, интегрируя интенсивность вокруг атомных колонок. ω-2θ (0 0 4) РД спектры записывали на Bruker D8 Discover дифрактометре (Cu-Kα₁) и моделировали в Bede Rads Mercury.

Результаты и обсуждение

Рис. 1 показывает низкоувеличенные HAADF-STEM изображения зоны [110] для образцов S1 (a) и S2 (b) вместе с толщина-корректированными интенсивностными профилями (зеленые прямоугольники). Нитевидные дислокации или стэкинг-фаулты не детектировались. В HAADF интенсивность пропорциональна среднему атомному номеру; более яркие области указывают на более высокое Bi содержание (Z_Bi=83, Z_Ga=31, Z_As=33). Образец S1 с низким Bi не показывает выраженных контрастных вариаций, тогда как S2 демонстрирует регулярно распределенные яркие точки вдоль GaAsBi слоя и интерфейсов, интерпретируемые как Bi-богатые кластеры. Эти кластеры встроены в слой, как подтверждает топография низковольтного РЭМ, совпадающая с STEM изображениями.

Интенсивностные профили (рис. 1c) раскрывают схожие толщины слоев (~140 нм) для обоих образцов. GaAsBi/GaAs интерфейс показывает постепенное падение интенсивности на ~10 нм, подразумевая включение Bi в GaAs кап даже без Bi потока. В низко-Bi образце (S1) интерфейс острее, чем в S2, что указывает на более высокий коэффициент инкорпорации Bi при низком Bi потоке, в согласии с кинетически-ограниченным ростом.

STEM-ЭДС карты (рис. 2) подтверждают HAADF наблюдения. Средняя атомная доля Bi составляла 1,2 ± 0,4% в S1 и 5,3 ± 0,4% в S2, подтверждая неравномерное Bi распределение. Bi кластеры возникают из стерического затормаживания; более крупные Bi атомы препятствуют Ga включению, создавая вакансии и приводя к Bi сегрегации. ЭДС элементные карты кластера (рис. 2b) показывают одновременное снижение Ga и As сигналов там, где Bi высоко, указывая, что Bi занимает как III, так и V групповые позиции.

Высокоувеличенные HAADF-STEM изображения в проекции [110] анализировали qHAADF. Интегрированные интенсивности V-групповых колонок сравнивали с объемным GaAs для получения отношения R = I_As-Bi/I_As. Рис. 3a показывает интерфейс для S1; R-карта (рис. 3b) демонстрирует значения от 1,00 до 1,27, указывая на 27% Bi обогащение в наибольших по интенсивности колонках. Коэффициент вариации (Cv) составлял 1,3% в GaAs подложке, 2,6% в GaAsBi слое и 2,6% в кап, отражая Bi-индуцированные композиционные флуктуации.

Для образца S2 HAADF-STEM раскрывает ≈12 нм эквиаксиальные кластеры, равномерно распределенные в GaAsBi слое и на интерфейсах (рис. 4a). Низкочастотная фильтрация (рис. 4b) подсвечивает {111} и (001) фасеты. Кластеры состоят из Bi-богатого ядра (≈30% Bi), окруженного низко-Bi оболочкой, похоже на наблюдения в GaAs_1-xBi_x/GaAs_1-yBi_y многослойных структурах. qHAADF картирование (рис. 4c) показывает выраженный Bi градиент с пиком в центре кластера. БПФ анализ выбранных областей (рис. 4d) выявляет дополнительные {102} рефлексы, атрибутируемые ромбоэдрическому Bi (rh-Bi), нуклеирующемуся внутри цинкблендовской матрицы, указывая на фазовое сосуществование и локальную релаксацию деформаций.

РД ω-2θ сканы (рис. 5) показывают острые пики GaAs подложки и расширенные GaAsBi пики при отрицательных углах, указывая на деформацию. В S2 плечо на GaAs пике свидетельствует о растягивающей деформации в кап, подтверждая частичную релаксацию GaAsBi слоя. Симуляции на основе ЭДС и HAADF данных (5,8% Bi) хорошо подгоняют РД кривую для S1, но для S2 наличие Bi-богатых кластеров требует более высокое среднее Bi содержание (~6%) для соответствия наблюдаемым позициям пиков, корробируя HAADF-STEM находки.

Заключение

Аберрационно-корректированный HAADF-STEM, дополненный qHAADF, БПФ и РД, дает всесторонний взгляд на Bi распределение в GaAs/GaAs_1-xBi_x/GaAs гетероструктурах. Низко-Bi образцы демонстрируют острые интерфейсы с незначительной Bi сегрегацией, тогда как высоко-Bi образцы формируют ≈10–12 нм эквиаксиальные Bi-богатые кластеры по всей матрице. Эти кластеры содержат как ромбоэдрический Bi, так и цинкблендовские фазы, индуцируя локальную релаксацию решетки и частичное снятие деформаций. Наблюдаемая Bi сегрегация и фазовое сосуществование являются ключевыми параметрами для настройки оптических и электронных свойств GaAsBi-базированных устройств.