В-плоскостной электрический перенос InAs/GaSb средне- и длинноволновых ИК суперрешеток, выращенных на GaAs молекулярно-лучевой эпитаксией

Аннотация

В настоящей работе сообщается о в-плоскостных электрических транспортных свойствах средневолнового (MWIR) и длинноволнового (LWIR) инфракрасных InAs/GaSb тип-II суперрешеток (T2SL), выращенных молекулярно-лучевой эпитаксией (MBE) на GaAs (001) подложке. Огромное несоответствие решеток между T2SL и GaAs подложкой снижается ростом GaSb буферного слоя на основе техники интерфейсной массива несоответствия (IMF). Для компенсации деформации в InAs/GaSb T2SL мы использовали специальную последовательность затворов для получения InSb-подобных и GaAs-подобных интерфейсов. Обнаружено, что MWIR InAs/GaSb T2SL демонстрирует p- и n-типовую проводимость при низких и высоких температурах соответственно. Интересно, что температура смены проводимости зависит от температуры роста. С другой стороны, проводимость LWIR T2SL доминируется только электронами. Важно отметить, что доминирующий механизм рассеяния в LWIR T2SL при низких температурах — механизм рассеяния на шероховатости интерфейса.

Введение

С тех пор как InAs/GaSb T2SL была концептуализирована Sai-Halasz и др. в 1977 г., этому полупроводниковому материалу уделялось большое внимание. Фотодетекторы на базе этого T2SL теоретически обладают более высоким потенциалом над ртуть-кадмий-телуридом (HgCdTe) и современными ИК материальными системами для следующего поколения ИК применений. Интересно, InAs/GaSb T2SL демонстрирует необычную тип-II сломанную зонную структуру, где минимум зоны проводимости InAs расположен на 140 мэВ ниже вершины валентной зоны GaSb. Следовательно, фундаментальный переход между тяжелыми дырочными подзонами и дном зоны проводимости зависит от толщины InAs или GaSb слоя. Главное преимущество этого выравнивания — снижение скорости Оже-рекомбинации благодаря подавлению некоторых нерадиационных путей в валентной зоне. Кроме того, зонно-зонный туннелинг значительно уменьшается из-за больших эффективных масс (~0,04 m₀) электронов и дыр. Эти две особенности позволяют уменьшить темновой ток, что ведет к высокой рабочей температуре (HOT) фотодетектора.

InAs/GaSb T2SL традиционно расти на решетко-согласованной GaSb подложке. Однако последняя дорога и доступна в малых размерах менее 3 дюймов, что препятствует реализации крупноформатных фокальных плоских массивов (FPA). Более того, GaSb подложки не «epi-ready» и их ростовые поверхности содержат множество макроскопических дефектов. Дополнительно, коэффициент поглощения относительно высок в GaSb подложке (~100 см⁻¹) для ИК излучения выше 5 мкм. Благодаря своим многочисленным преимуществам, GaAs был предложен как жизнеспособный кандидат для роста InAs/GaSb T2SL. Действительно, они «epi-ready», стоимоэффективны и доступны в больших размерах до 6 дюймов. Кроме того, GaAs имеет коэффициент поглощения на два порядка ниже, чем GaSb. К сожалению, огромное несоответствие решеток (~7,5%) между GaAs и InAs/GaSb T2SL приводит к высокой плотности несоответственных дислаций (10⁹ см⁻²). Поэтому обязательно концептуализировать новые техники роста для снятия деформации и снижения плотности дислаций. Среди этих техник — низкотемпературная нуклеация и IMF техника.

Для улучшения характеристик фотодетекторов на базе InAs/GaSb T2SL необходимо лучшее понимание фундаментальных параметров. Один из них — фоновая концентрация носителей, связанная с временем жизни мажоритарных носителей и диффузионными длинами. Стоит отметить, что объемные материалы InAs и GaSb имеют противоположную полярность носителей. Действительно, InAs и GaSb материалы, выращенные МЛЭ, остаточно n- и p-типа соответственно. Следовательно, проводимость InAs/GaSb T2SL предсказуемо зависит от толщины каждого констуитуента.

В данной статье мы исследуем в-плоскостные транспортные свойства 10 ML InAs/10 ML GaSb и 24 ML InAs/7 ML GaSb T2SL, предназначенных для детекции в MWIR и LWIR областях соответственно, выращенных на полупроводящих GaAs (001) подложках. Это исследование выполнено путем температурно-зависимых Холловских измерений методом Ван дер Пау. Кроме того, представлено влияние температуры роста на проводимость InAs/GaSb T2SL.

Методы

InAs/GaSb T2SL образцы выращивали на полупроводящих GaAs (001) подложках в системе MBE RIBER Compact 21-DZ с твердыми источниками. Система оснащена стандартными эффузионными ячейками для групповых III элементов (индий (In) и галлий (Ga)) и клапанными трещиноватыми ячейками для групповых V материалов (арсен (As) и сурьма (Sb)). Температуры трещинов держали при 900 °C для As и Sb для получения As₂ и Sb₂ соответственно. Манипулятор термопары (TC) и BandiT (BT) использовали для мониторинга температуры роста. Последняя калибровали по температуре десорбции оксида GaAs. После деоксидации GaAs подложек при 610 °C (по BT), осаждали 250-нм GaAs слой при 585 °C (BT) для гладкой стартовой поверхности. Затем выращивали 1-мкм GaSb буферный слой с IMF техникой при BT температуре 440 °C. Эта техника состоит в формировании периодического массива 90° несоответствующих дислаций на границе GaAs/GaSb, приводя к низкой плотности дислаций (~10⁶ см⁻²). После роста GaSb буферного слоя BT больше нельзя использовать из-за изменений эмиссионности, шероховатости поверхности и дополнительных механизмов радиационного поглощения. Таким образом, температура роста InAs/GaSb T2SL контролировалась только TC. MWIR 10 ML InAs/10 ML GaSb T2SL выращивали при разных температурах подложки 330, 390 и 400 °C (TC) для изучения влияния температуры роста на транспортные свойства. С другой стороны, LWIR 24 ML InAs/7 ML GaSb T2SL осаждали только при 390 °C. Для компенсации деформации между InAs и GaSb использовали специальную последовательность затворов, сообщавшую о лучшем структурном качестве: рост InAs следовал 8-секундному Sb замачиванию для формирования InSb-подобных связей, тогда как рост GaSb следовал 2-секундному As замачиванию для выращивания GaAs-подобного интерфейса. V/III потоковое соотношение 8,3 и 4,6 для InAs и GaSb соответственно. Скорость роста 0,5 ML/с для обоих InAs и GaSb. Рост мониторили in situ системой отражения высокоэнергетических электронов (RHEED).

Выращенные образцы оценивали высокоразрешающей рентгеновской дифракцией (HRXRD) PANalytical X'Pert для изучения структурных свойств. Использовали Cu Kα₁ излучение (λ ≈ 1,5406 Å) от линейного фокуса и четырехкратного Ge (004) монохроматора. Транспортные свойства оценивали Холловскими измерениями методом Ван дер Пау в системе ECOPIA, в диапазоне температур 80–300 K. Измерения проводили на квадратных образцах 6×6 мм²; контакт делали индиевыми точками в каждом углу. Магнитное поле 0,4 Т применяли нормально к образцам.

Результаты и обсуждение

Рис. 1 иллюстрирует измеренные и смоделированные HRXRD 2θ-ω сканы симметричного (004) отражения для MWIR и LWIR InAs/GaSb T2SL. Моделирование выполнено программой «Epitaxy» от PANalytical X'Pert. Видно хорошо разрешенные сателлиты до 4-го порядка для MWIR T2SL и до 7-го для LWIR, указывающие на высокое структурное качество, особенно для LWIR T2SL. С другой стороны, полная ширина на полувысоте (FWHM) нулевого порядка пика, измеренная в ω-2θ направлении, составляет 107 и 99 угл. сек для MWIR и LWIR T2SL соответственно. Период суперрешетки (L) определяется из углового расстояния между двумя соседними сателлитами (Δθ) как:

$$ L = \frac{\lambda}{2 \times \Delta \theta \times \cos \theta_{SL}} $$

где λ — длина волны падающего рентгеновского пучка, упомянутого ранее, и θ_SL — Брагговский угол нулевого порядка пика суперрешетки. Из рис. 1 периоды MWIR и LWIR T2SL составляют 6,74 ± 0,01 и 10,24 ± 0,02 нм соответственно. Аппроксимация измеренной кривой смоделированной дает состав одного периода MWIR T2SL: GaSb 3,4 нм (11,2 ML), GaAs 0,1 нм (0,2 ML), InAs 3,0 нм (10,1 ML), InSb 0,2 нм (0,5 ML). Толщины констуитуентов LWIR T2SL: GaSb 2,3 нм (7,5 ML), GaAs 0,1 нм (0,2 ML), InAs 7,4 нм (24,7 ML), InSb 0,4 нм (1 ML). Несоответствие решеток, определенное из угла между нулевым порядком пика и GaSb буферным слоем, составляет 8,9×10⁻³ и 4,5×10⁻³ для MWIR и LWIR T2SL соответственно. Рис. 2 представляет асимметричные (115) обратные пространственные карты (RSM) для выращенных T2SL. В обоих образцах сателлиты суперрешеток и GaSb пик выровнены вертикально (имеют ту же компоненту вектора рассеяния Q_x), что ведет к выводу, что обе T2SL практически полностью напряжены.

В-плоскостные электрические параметры выращенных MWIR InAs/GaSb T2SL показаны на рис. 3. Как видно, ненамеренно легированный InAs/GaSb T2SL демонстрирует воспроизводимую смену типа проводимости. Несмотря на влияние GaSb буферного слоя (p-тип) на Холловские измерения, следует отметить, что смена типа проводимости обусловлена только T2SL слоем. Это изменение также сообщалось несколькими группами. T2SL демонстрирует p-типовую проводимость ниже температуры смены (T_ch) и n-типовую выше T_ch. Как упоминалось ранее, InAs и GaSb слои демонстрируют n- и p-типовую проводимость соответственно. Следовательно, остаточный фон InAs/GaSb T2SL с похожей толщиной двух констуитуентов индуцируется компенсацией мажоритарных носителей от бинарных констуитуентов T2SL. Для значения T_ch, Mohseni и др. сообщали 140 K, Christol и др. — 190 K, Khoshakhlagh и др. — 200 K. Поведение плотности поверхностных носителей и подвижности управляется известными внутренними фононными механизмами рассеяния (акустическим, пьезоэлектрическим, полярным и неполярным оптическим). Исключительно, Холловская подвижность растет с повышением температуры выше T_ch (рис. 3b); это, вероятно, из-за ионизированных ловушек из-за InSb интерфейса на GaSb-на-InAs границе. Значение T_ch составляет 145, 195 и 225 K для T2SL, выращенных при 330, 390 и 400 °C соответственно; это, вероятно, из-за высокой дырочной концентрации при более высокой температуре роста, сдвигающей T_ch к более высоким температурам. Высокая дырочная концентрация обусловлена дефектами и ионизированными вакансиями при высокой температуре роста. MWIR InAs/GaSb T2SL, выращенный при 390 °C, характеризуется концентрацией носителей 1,8×10¹⁶ и 2,5×10¹⁶ см⁻³ при 80 и 300 K соответственно. Этот результат лучше, чем у Mohseni и др. (Холловская концентрация 1,5–4×10¹⁷ см⁻³) и практически такой же, как у Christol и др. (1,6×10¹⁶ и 6×10¹⁶ см⁻³ при 100 и 300 K). Холловская подвижность 1300 (p-тип) и 3200 см²/В·с (n-тип) при 80 и 300 K соответственно. Достигнутая подвижность значительно выше, чем у Christol и др. (100 и 1800 см²/В·с при 100 и 300 K).

Сопротивление трех разных образцов показано на рис. 4. Замечается, что сопротивление и температура имеют два четких склона. Для каждого образца можно извлечь две тепловые активационные энергии из закона Аррениуса. Для n-типового региона активационная энергия E_an составляет 58, 72 и 68 мэВ для T2SL, выращенных при 330, 390 и 400 °C соответственно. Для p-типового региона E_ap равна 7, 12 и 14 мэВ для InAs/GaSb T2SL, осажденных при 330, 390 и 400 °C соответственно. При низких температурах (ниже T_ch) T2SL показывает p-тип из-за p-типовых носителей, ассоциированных с E_ap, доминирующих в механизмах генерации-рекомбинации. При температурах выше T_ch T2SL демонстрирует n-типовую проводимость из-за активации глубоких уровней, ассоциированных с высокой активационной энергией E_an. Источником этих глубоких уровней являются мелкие уровни в объемном InAs, являющиеся результатом зонного выравнивания между InAs и InAs/GaSb T2SL и действующими как глубокие уровни в InAs/GaSb T2SL.

Холловская концентрация, подвижность и сопротивление LWIR InAs/GaSb T2SL представлены на рис. 5. В отличие от MWIR T2SL, нет смены типа проводимости для этого образца. Этот T2SL демонстрирует n-типовую проводимость. Влияние p-типового GaSb буфера (низкоподвижные носители) на Холловское измерение для этого n-типового T2SL (высокоподвижные носители) пренебрежимо мало, так как Холловская подвижность пропорциональна квадрату подвижности носителей. Khoshakhlagh и др. сообщали тот же результат для 13 ML InAs/7 ML GaSb T2SL. Кроме того, Szmulowicz и др. указывали, что LWIR T2SL, где InAs слой толще GaSb, склонен быть n-типом. Эта n-типовая проводимость обусловлена большой толщиной InAs слоя (остаточно n-легированного) по сравнению с GaSb. Эти n-типовые носители ассоциированы с активационной энергией 33 мэВ (рис. 5b). Поведение Холловской концентрации и подвижности типично для n-типа полупроводников, за исключением температурного диапазона ниже 95 K, где концентрация и подвижность носителей практически не зависят от температуры. Это указывает на существование температурно-независимого механизма рассеяния в этом регионе. Последний демонстрирован как механизм рассеяния на шероховатости интерфейса (IRS). Этот механизм доминирует при низких температурах, где фононное рассеяние замерзает. IRS механизм возникает из-за существования интерфейсов и вариации толщин слоев, что приводит к вариации электронных энергетических уровней; поэтому они выступают источником рассеяния носителей. Более того, Холловская подвижность, доминируемая IRS механизмом, пропорциональна шестой степени толщины InAs (μ ∝ d_InAs^6,2).

Заключение

В сумме, InAs/GaSb T2SL выращены на GaAs подложке с использованием GaSb буферного слоя на основе IMF техники. Более того, эти T2SL продемонстрированы для MWIR и LWIR детекционных областей. Обнаружено, что MWIR T2SL демонстрирует смену типа проводимости от p- к n-типу с повышением температуры. Температура смены увеличивается с ростом температуры роста T2SL. Эта смена типа проводимости атрибутируется существованию двух примесных уровней с двумя разными активационными энергиями. С другой стороны, проводимость LWIR InAs/GaSb T2SL демонстрирована как n-типовая на всем температурном диапазоне. Помимо конвенциональных механизмов рассеяния, IRS механизм доказан как доминирующий механизм рассеяния при низких температурах. Эти результаты позволяют лучшее понимание физических свойств InAs/GaSb T2SL, ведущее к улучшению характеристик ИР фотодетекторов на базе этого материала.

Аббревиатуры

BT:

BandiT

FPAs:

Фокальные плоские массивы

FWHM:

Половина ширины на полувысоте

HOT:

Высокая рабочая температура

HRXRD:

Высокоразрешающая рентгеновская дифракция

IMF:

Интерфейсный массив несоответствия

IR:

Инфракрасный

IRS:

Рассеяние на шероховатости интерфейса

LWIR:

Длинноволновой инфракрасный

MBE:

Молекулярно-лучевая эпитаксия

MWIR:

Средневолновой инфракрасный

RHEED:

Отражение высокоэнергетических электронов дифракция

RSM:

Обратная пространственная карта

T2SL:

Тип-II суперрешетка

TC:

Термопара