Preparación y propiedades ópticas de las películas GeBi mediante el método de epitaxia de haz molecular

Antecedentes

En el campo de la comunicación óptica, la longitud de onda óptica en la tecnología de multiplexación por división de longitud de onda densa se ha extendido desde la banda C (1,53–1,56 µm) a la banda L (1,56–1,62 µm) en la actualidad. Entonces, la longitud de onda de los detectores optoelectrónicos debe incluir la banda C y la banda L. Sin embargo, debido a las aplicaciones emergentes en el infrarrojo medio, la longitud de onda de corte de respuesta de los detectores debe ser superior a 2 μm. Es importante preparar detectores fotoeléctricos de semiconductores en la banda de onda del infrarrojo cercano y del infrarrojo lejano con una longitud de onda en un rango de 2 a 10 μm [1, 2, 3, 4].

Hasta ahora, se ha demostrado que las aleaciones a base de Ge son materiales prometedores para los detectores optoelectrónicos de infrarrojos. En 1984, AT &T.Bell Laboratories preparó dispositivos de película GeSi n-i-p mediante el método de epitaxia de haz molecular (MBE), y la longitud de onda de trabajo fue de 1,45 μm [5, 6]. En 2010, la Universidad de Stuttgart preparó películas de GeSn con un contenido de Sn de 0,5 a 3% utilizando temperaturas de crecimiento bajas y detectores de clavija con una longitud de onda de funcionamiento de 1,2 a 1,6 μm [7,8,9,10]. En 2011, el académico Wang Qiming de la Academia de Ciencias de China preparó la aleación GeSn con un contenido de Sn de 1,0 a 3,5% y luego preparó con éxito detectores de pines con una longitud de onda de trabajo en el rango de 1,3 a 1,6 μm [11,12,13]. En 2014, M. Oehme desarrolló fotodetectores de pozos cuánticos múltiples GeSn / Ge con estructuras verticales, y la frecuencia de corte de los pines estaba por encima de 1,6 μm [14]. En 2015, S. Wirths preparó con éxito películas GeSn con banda prohibida directa y preparó detectores de película GeSn con una longitud de onda de 1,5 μm [15]. K. Toko preparó dispositivos optoelectrónicos con una longitud de onda de 1,2-1,6 μm en sustratos flexibles mediante la tecnología de pulverización catódica de magnetrones de RF [16]. Sin embargo, la longitud de onda de corte de los detectores de infrarrojos de semiconductores GeSi y GeSn es aún más corta que 2,0 μm, y la longitud de onda de la aplicación no puede incluir toda la banda C y la banda L. Encontrar nuevos materiales que tengan una longitud de onda de corte más larga será útil para resolver este problema.

Aquí, informamos la preparación y las propiedades ópticas de una película delgada de semiconductor GeBi de tipo n con una longitud de onda de corte más larga mediante el método MBE. La frecuencia de corte fue de 2,3 μm y la longitud de onda para las aplicaciones estuvo en el rango de 1,44 a 1,93 μm, que incluye tanto la banda C como la banda L. En este estudio, los efectos de la aleación Bi en las propiedades de infrarrojos y terahercios (THz) de Ge _{1 - x} Bi _x las películas se investigan en detalle.

Procedimientos experimentales

Las películas GeBi se cultivaron utilizando el método MBE con una presión de vacío de 4 × 10 ⁻⁹ hasta 5 × 10 ⁻¹⁰ Torrs. Los átomos de Ge y los átomos de Bi se expulsaron de una fuente de Ge (1200 ° C) y una fuente de Bi (400–550 ° C), respectivamente, que llegaron a la superficie del sustrato (100) de una oblea de cristal único de Si tipo p, y formó las películas finalmente. La temperatura del sustrato fue de 150 ° C y la velocidad de crecimiento osciló entre 1,66 y 2,50 nm / min. Los parámetros de crecimiento detallados de las películas GeBi se resumen en la Tabla 1.

La formación de fase de las películas GeBi se caracterizó por difracción de rayos X incidente rasante (XRD). La morfología de las películas GeBi se analizó mediante un microscopio electrónico de barrido (SEM; JMS6490LV, JEOL, Tokio, Japón). La rugosidad de las muestras se probó mediante microscopía de fuerza atómica (AFM, 300 HV, SEIKO, Japón). La espectroscopía Raman se probó mediante un espectrómetro Raman (LabRAM HR, Edison, Nueva Jersey, EE. UU.). Las propiedades del infrarrojo cercano y del infrarrojo lejano de las películas GeBi se midieron mediante un espectrómetro óptico (Lambda 75UV / VIS / NIR) y un espectrómetro de infrarrojo lejano. Las propiedades de transmisión de ondas de THz se midieron mediante espectroscopía de dominio de tiempo de THz.

Resultados y discusión

La Figura 1 muestra los patrones XRD del Ge _{1 - x} preparado Bi _x Película (s. Se puede ver que los picos de difracción característicos que se pueden atribuir a las aleaciones GeBi se pueden encontrar en todas las muestras de crecimiento de MBE. La Figura 1 muestra los resultados XRD del Ge _{1 - x} Bi _x películas cultivadas por MBE sin tratamiento térmico. Todas las muestras muestran los picos de difracción de la película GeBi, mientras que la propiedad cristalina de las muestras varía cuando el contenido de Bi ( x ) cambia de 0.020 a 0.222. Cuando el contenido de Bi es bajo ( x =0.020), el Ge _0.980 Bi _0.02 Se encontró que la película estaba orientada a lo largo de la dirección (014), consulte la Fig. 1. Con el contenido de Bi aumentado a x =0.102, junto al pico (104) ubicado alrededor de 2 θ =38.2 ^o , el pico (012) de la película GeBi se ubica alrededor de 2 θ =27.2 ^o comienza a aparecer. Con el aumento del contenido de Bi ( x ) de 0,183 a 0,222, la intensidad del pico (012) se incrementó drásticamente mientras que el pico (104) casi desapareció. Esto indica el Ge _{1 - x} Bi _x Las películas con mayor contenido de Bi se orientaron preferiblemente a lo largo de la dirección (012) en lugar de la dirección (104). Los diferentes contenidos de Bi influyeron en las microestructuras de las películas. Para las películas GeBi con diferentes contenidos de Bi, cambiar los parámetros de crecimiento podría influir en la orientación de crecimiento preferida. Especulamos que debido al bajo punto de fusión de los átomos Bi, los átomos Bi formaron grupos con los átomos Ge, entraron en redes cristalinas y formaron células Ge-Bi. Los resultados de XRD indican que las películas GeBi se prepararon con éxito mediante el método MBE y sus propiedades cristalinas podrían manipularse cambiando el contenido de Bi en Ge _{1 - x} Bi _x películas.

Patrones XRD de Ge _{1 - x} Bi _x filmar películas GeBi con diferentes contenidos Bi que van desde x =0.020 a x =0,222

Imágenes SEM típicas del Ge _{1 - x} Bi _x Las muestras de película se presentan en la Fig. 2. Cuando el contenido de Bi era del 2,0% ( x =0.02), la película GeBi creció bien y su superficie se encontró muy lisa, ver Fig. 2a. Cuando el contenido de Bi aumentó al 10,2%, aparecieron algunos pequeños puntos en el medio homogéneo, que fue la expresión del proceso de formación inicial de nuevas fases, ver Fig. 2b. Debido al principio de energía más baja, los átomos Bi superficiales se segregaron y agregaron en grupos (tamaño 33-42 nm). Cuando el contenido de Bi alcanzó más del 18,3%, había tres fases en la película al menos, tales como GeBi, Bi amorfa y Ge, ver Fig. 2c, d. El tamaño de grano de las películas GeBi era muy grande, hasta aproximadamente 1000 nm. Las partículas segregadas de Bi y Ge, con un tamaño de grano pequeño en el rango de 30,7 a 118,0 nm, se encontraron entre los límites cristalinos de los granos de GeBi. Descubrimos que, cuando el contenido de Bi supera la solubilidad sólida en la aleación GeBi, los átomos de Bi excesivos se depositan y forman fases Bi en el límite de grano grande a bajas temperaturas. Algunos átomos de Ge, que no pudieron reaccionar con los átomos de Bi debido a la restricción de la baja temperatura, también formaron la fase de Ge en el límite de grano grande. Sin embargo, el aumento del contenido de Bi podría haber promovido el crecimiento preferido de los granos GeBi, y el tamaño de los granos cambió de 42 a 100 nm, ver Fig. 2b, d.

Patrones típicos de SEM de películas GeBi con diferentes contenidos Bi: a 2,0%; b 10,2%; c 18,3%; y d 20,3%

La Figura 3 muestra imágenes AFM típicas del Ge _{1 - x} Bi _x películas con varios contenidos de Bi, y el valor de Ra y los valores de RMS se resumen en la Tabla 2. Con el contenido creciente de Bi, el valor de Ra y los valores de RMS aumentaron drásticamente, lo que indica la rugosidad de la superficie de Ge _{1 - x} Bi _x se aumenta la película. Mientras tanto, hubo algunos picos irregulares en la Fig. 3b-d debido al tamaño de grano heterogéneo y los granos pequeños en los límites de los granos. Cuando el contenido de Bi era excesivo, el número de átomos de Bi reemplazados por átomos de Ge estaba limitado debido a la restricción de la solubilidad sólida de Bi en la aleación GeBi. Los átomos bi supernumerarios depositados en la película hicieron que las películas fueran rugosas y tuvieron una gran influencia en la microestructura de las películas GeBi, lo que es consistente con los resultados de SEM.

Resultados de la prueba AFM de películas GeBi con diferentes contenidos de Bi: a 2,0%; b 10,2%; c 18,3%; y d 20,3%

La Figura 4 muestra los espectros Raman a temperatura ambiente del Ge _{1 - x} recién crecido Bi _x películas con diferentes contenidos Bi elaboradas por MBE. Una serie de picos ubicados alrededor de 190 cm ⁻¹ podría atribuirse al modo de vibración Ge-Bi. Con el aumento del contenido de Bi, el pico de Ge-Bi se hizo más fuerte y se desplazó hacia un número de onda más alto (cm ⁻¹ ). El cambio a números de onda más altos indicó que, con el aumento del contenido de Bi, aumentó la tasa de desajuste de las constantes de celosía de las películas y la deformación de la celosía en las películas de GeBi. Se puede concluir que el dopaje Bi es una forma eficaz de ajustar la cepa reticular de Ge _{1 - x} Bi _x películas delgadas de aleación.

Espectros Raman de películas GeBi con diferentes contenidos Bi

La Figura 5 muestra las propiedades del infrarrojo cercano de las películas GeBi con diferentes contenidos de Bi. Los comportamientos de absorción de las películas se obtuvieron a partir de sus propiedades de reflectividad y transmisión. Como se muestra en la Fig. 5a, con el aumento del contenido de Bi, la reflectancia de las películas GeBi se redujo en el rango de 1014-2500 nm, lo que indicó que la absorción de las películas aumentó. El valle en el rango de 1932-1938 nm podría atribuirse a la absorción indirecta de los espacios de banda de las películas de GeBi. Y la profundidad del valle de absorción de energía se reduce al aumentar el contenido de Bi. Cuando el contenido de Bi fue superior al 20%, el valle desapareció en el rango de 1932-1938 nm. Los intervalos de banda directos de las películas GeBi estaban en el rango de 1446-1452 nm; la profundidad del valle de absorción de energía también se reduce al aumentar el contenido de Bi. Cuando el contenido de Bi estuvo por encima del 20,3%, el valle desapareció en el rango de 1446-1452 nm. En conclusión, el aumento del contenido de Bi reduce la reflectancia de las películas GeBi, aumenta el coeficiente de extinción y hace que las amplitudes reflejadas disminuyan finalmente. Como se muestra en la Fig. 5b, hubo un punto de inflexión alrededor de 1020 nm (1,22 eV), que se atribuyó a la banda prohibida de Si a 1,12 eV. Cuando la longitud de onda era menor que el valor del punto de inflexión, la transmitancia de las películas GeBi y el sustrato de Si era pequeña. En el rango de 1020 a 2500 nm, la transmitancia aumentó con el aumento de la longitud de onda. Sin embargo, cuando el contenido de Bi aumentó de 18,3 a 22,2%, la transmitancia se redujo. En el rango de 800-1600 nm, enormes cambios en el índice de refracción, el coeficiente de extinción y el contenido excesivo de Bi tuvieron un efecto sobre la absorción de las películas [17, 18].

Espectros de reflectancia ( a ) y espectros de transmisión ( b ) de películas GeBi con diferentes contenidos de Bi en la banda de onda del infrarrojo cercano

La Figura 6 muestra las propiedades de las películas GeBi con varios contenidos de Bi en la banda de ondas del infrarrojo lejano. Hubo una ventana de absorción alta y estable para las películas GeBi en la banda de onda de 4-15 μm, ver Fig. 6a, b. Debido a que los principios de reflectancia y transmitancia eran diferentes, no pudimos obtener directamente la absorción de las películas GeBi de la Fig. 6a, b. Analizamos la refracción y los resultados experimentales del coeficiente de extinción de las películas de Ge en la banda de onda de 1 a 25 μm [17], consideramos el efecto del contenido de Bi en las películas de Ge y obtuvimos los espectros de absorción de las películas de GeBi en distancias lejanas. banda de infrarrojos finalmente, ver Fig. 6c. Con el aumento del contenido de Bi del 2 al 10,2%, la absorción aumentó del 9,3 al 22,6% en el rango de 1 a 25 μm. La absorción tuvo la misma tendencia al aumentar aún más el contenido de Bi. Sin embargo, cuando el contenido de Bi aumentó, la absorción de Ge _{1 - x} Bi _x las películas delgadas aumentaron en el rango de 1.0 a 7.5 μm y luego disminuyeron en el rango de 7.5-25 μm. El contenido de Bi por encima del 10% dio como resultado que los átomos de Bi se depositaran en las películas de GeBi, la rugosidad de la superficie aumentó y luego, la absorción se redujo. La Figura 7 muestra la transmitancia de THz en función de la frecuencia para las películas GeBi con diferentes contenidos de Bi. Cuando el contenido de Bi aumentó del 2 al 10,2%, la transmitancia disminuyó un 10%. La transmitancia aumentó ligeramente con el contenido de Bi aumentando de 18,3 a 22,2%. Las medidas de transmisión indican que las propiedades THz del Ge _{1 - x} Bi _x Las películas delgadas se pueden ajustar variando el contenido de Bi, lo cual es muy importante para la aplicación, como los moduladores de onda THz [19].

Espectros de transmisión ( a ), espectros de reflectancia ( b ) y espectros de absorción ( c ) de películas GeBi con diferentes contenidos Bi en la banda de ondas del infrarrojo lejano

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

Conclusión

En resumen, Ge _{1 - x} Bi _x películas con fracción Bi x =0 a 0,222 se cultivaron con éxito en sustratos de p-Si (100) utilizando MBE a baja temperatura. Los resultados de XRD y SEM indicaron que sus propiedades cristalinas y morfológicas podrían manipularse cambiando el contenido de Bi en Ge _{1 - x} Bi _x Película (s. Las influencias del contenido de Bi en las propiedades ópticas, incluido el rendimiento infrarrojo y THz del Ge _{1 - x} Bi _x Las películas fueron investigadas sistemáticamente. El aumento moderado del contenido de Bi redujo la reflectancia y varió la transmitancia en longitudes de onda infrarrojas. La transmitancia de las películas GeBi en la banda de THz disminuyó con el aumento moderado del contenido de Bi. Por tanto, se puede concluir que el MBE Ge _{1 - x} Bi _x Las películas son materiales prometedores para aplicaciones de infrarrojos y THz.

Abreviaturas

AFM:

Microscopía de fuerza atómica

MBE:

Epitaxia de haz molecular

SEM:

Microscopio electrónico de barrido

THz:

Terahercios

XRD:

Difracción de rayos X

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