Ingeniería de películas delgadas n-GeBi por epitaxia de haz molecular: control cristalino y rendimiento óptico infrarrojo/THz

Resumen

Las aleaciones germanio-bismuto (Ge_1‑xBi_x) han surgido como semiconductores infrarrojos prometedores debido a su banda prohibida ajustable y alta movilidad de portadores. En este estudio, informamos el crecimiento a baja temperatura por epitaxia de haz molecular (MBE) de películas delgadas n-GeBi con fracciones de Bi del 2 % al 22,2 %. Análisis estructurales exhaustivos mediante difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía de fuerza atómica (AFM) confirman la incorporación exitosa de Bi y la evolución de la orientación cristalográfica de (014) a (012) a medida que aumenta el contenido de Bi. Las mediciones ópticas revelan que el dopaje con Bi reduce la reflectancia, mejora la transmitancia en la banda del infrarrojo cercano (NIR) y extiende la longitud de onda de corte a 2,3 µm, cubriendo tanto la banda C como la L. La espectroscopía de terahercios (THz) muestra que la incorporación moderada de Bi disminuye la transmitancia THz, permitiendo una respuesta THz ajustable. Estos resultados posicionan a las películas GeBi como materiales versátiles para dispositivos fotónicos infrarrojos y THz.

Antecedentes

La expansión del multiplexado por división densa de longitud de onda (DWDM) hacia la banda L (1,56–1,62 µm) demanda detectores optoelectrónicos que operen en el rango completo 1,44–1,93 µm. Las aleaciones basadas en Ge existentes como GeSi y GeSn han alcanzado longitudes de onda de corte hasta 1,6 µm, dejando la barrera de los 2 µm no alcanzada para aplicaciones en sensores de infrarrojo medio y comunicaciones de espacio libre.

GeBi ofrece una alternativa atractiva: al alear Bi en la red de Ge, la banda prohibida puede diseñarse hacia longitudes de onda mayores preservando la conductividad tipo n. Trabajos previos en GeSn y GeBi han mostrado potencial para detectores de alto rendimiento en el rango 1,3–1,6 µm, pero la longitud de onda de corte sigue limitada. Este estudio demuestra que películas GeBi cultivadas por MBE pueden alcanzar un corte de 2,3 µm, cerrando efectivamente la brecha entre la detección en banda C y banda L.

Procedimientos experimentales

Las películas GeBi se depositaron sobre obleas Si tipo p (100) usando una cámara MBE personalizada operada a presión base de 4 × 10⁻⁹ a 5 × 10⁻¹⁰ Torr. Ge y Bi se obtuvieron de celdas de efluencia calentadas a 1200 °C y 400–550 °C, respectivamente, para lograr una relación de flujo controlada. La temperatura del sustrato se mantuvo a 150 °C, produciendo tasas de crecimiento entre 1,66 y 2,50 nm min⁻¹. Los parámetros detallados de crecimiento se tabulan en la Tabla 1.

La caracterización estructural empleó XRD de incidencia rasante, SEM (JMS6490LV, JEOL), AFM (300 HV, SEIKO) y espectroscopía Raman (LabRAM HR, Edinburgh Instruments). La absorción y transmitancia óptica se midieron con un espectrómetro UV/VIS/NIR Lambda 75 y un espectrómetro de transformada de Fourier de infrarrojo lejano. La transmisión THz se obtuvo mediante espectroscopía de dominio temporal (THz-TDS).

Resultados y discusión

Análisis XRD
La figura 1 muestra que todas las muestras presentan picos de difracción GeBi claros. A bajo Bi (x = 0,020), la película está orientada según (014). A medida que el Bi aumenta a x = 0,102, el pico (104) disminuye mientras emerge el pico (012). Para x ≥ 0,183, la orientación (012) domina, indicando una reorientación impulsada por tensión debido a la mayor constante de red del Bi.

Patrones XRD de películas Ge_1‑xBi_x con contenidos de Bi del 2 % al 22,2 %.

Morfología SEM
La figura 2 ilustra la evolución superficial. Al 2 % Bi, la película es lisa (Fig. 2a). Al 10,2 % Bi, aparecen puntos aislados ricos en Bi (33–42 nm) (Fig. 2b). Más allá del 18,3 % Bi, coexisten fases secundarias (Bi amorfo, Ge) con la fase primaria GeBi, y los tamaños de grano alcanzan ~1 µm (Fig. 2c,d). El exceso de Bi más allá de su límite de solubilidad se segrega en los bordes de grano, creando rugosidad superficial.

Imágenes SEM de películas GeBi: (a) 2 %; (b) 10,2 %; (c) 18,3 %; (d) 20,3 %.

Rugosidad superficial AFM
La figura 3 muestra topografías AFM. La rugosidad cuadrática media (RMS) aumenta bruscamente con el Bi, alcanzando ~15 nm al 20,3 % Bi. El aumento de rugosidad es consistente con la segregación de Bi observada en SEM.

Imágenes AFM de películas GeBi: (a) 2 %; (b) 10,2 %; (c) 18,3 %; (d) 20,3 %.

Espectroscopía Raman
La figura 4 muestra el modo vibracional Ge-Bi cerca de 190 cm⁻¹. Con el aumento de Bi, el pico se fortalece y se desplaza a números de onda mayores, indicando amplificación de la tensión de red e incorporación exitosa de Bi.

Espectros Raman de películas GeBi con contenidos variables de Bi.

Propiedades ópticas en el infrarrojo cercano
La figura 5a muestra que la reflectancia disminuye en 1014–2500 nm al aumentar el Bi, implicando mayor absorción. El valle de absorción en 1932–1938 nm (banda prohibida indirecta) disminuye y desaparece para Bi > 20 %. La absorción de banda directa alrededor de 1446–1452 nm se debilita similarmente con alto Bi. La figura 5b demuestra una inflexión de transmisión cerca de 1020 nm, atribuida al borde de banda del sustrato Si. En general, mayor Bi reduce la reflectancia y ajusta la transmitancia en el NIR, mejorando la responsividad del detector.

Espectros de reflectancia (a) y transmisión (b) de películas GeBi en la banda NIR.

Respuesta en infrarrojo lejano y THz
Las figuras 6a y 6b revelan una ventana de absorción estable entre 4–15 µm, mientras la figura 6c muestra que la absorción aumenta del 9,3 % al 22,6 % al subir el Bi del 2 % al 10,2 %. Más allá del 10 % Bi, la absorción alcanza picos cerca de 1–7,5 µm y decae a longitudes de onda mayores, reflejando rugosidad superficial y formación de fases de Bi. La transmitancia THz (Figura 7) cae ~10 % al aumentar el Bi del 2 % al 10,2 %, pero se recupera ligeramente al 18,3–22,2 % Bi, indicando absorción THz ajustable aprovechable para moduladores.

Transmisión (a), reflectancia (b) y absorción (c) de películas GeBi en la banda IR lejano.

Espectros de transmisión THz de películas GeBi con diferentes contenidos de Bi.

Conclusiones

Hemos cultivado exitosamente películas delgadas n-Ge_1‑xBi_x (x = 0–0,222) sobre sustratos p-Si(100) mediante MBE a baja temperatura. XRD y SEM confirman que la incorporación de Bi dicta la orientación cristalográfica y microestructura, mientras AFM y Raman evidencian modulación de tensión de red. Estudios ópticos demuestran que el dopaje moderado de Bi reduce la reflectancia NIR, extiende el corte a 2,3 µm y ajusta la transmitancia THz, posicionando a GeBi como candidato fuerte para detectores infrarrojos de banda ancha y moduladores THz.

Abreviaturas

AFM:

Microscopía de fuerza atómica

MBE:

Epitaxia de haz molecular

SEM:

Microscopio electrónico de barrido

THz:

Terahercios

XRD:

Difracción de rayos X