Transporte eléctrico en plano de superredes InAs/GaSb infrarrojo medio y largo crecidas en GaAs por epitaxia de haz molecular

Métodos

Muestras T2SL InAs/GaSb se crecieron en sustratos GaAs (001) semi-aislantes en un sistema MBE RIBER Compact 21-DZ de fuente sólida. Este último está equipado con celdas de efluviación estándar para elementos grupo III (indio (In) y galio (Ga)) y celdas de craqueo con válvula para materiales grupo V (arsénico (As) y antimonio (Sb)). Las temperaturas de craqueo se mantuvieron a 900 °C para ambos As y Sb para producir As₂ y Sb₂, respectivamente. El termopar del manipulador (TC) y BandiT (BT) se utilizan para monitorear la temperatura de crecimiento. Esta última se calibró desde la temperatura de desorción de óxido de GaAs. Tras la desoxidación de sustratos GaAs a 610 °C (medido por BT), se depositó una capa de GaAs de 250 nm de espesor a 585 °C (BT) para obtener una superficie de partida lisa. Posteriormente, una capa buffer de GaSb de 1 µm de espesor se creció usando técnica IMF a temperatura BT de 440 °C. Esta técnica consiste en la formación de un array periódico de dislocaciones de desajuste de 90° en la interfaz GaAs/GaSb llevando a baja densidad de dislocaciones (≈ 10⁶ cm⁻²). Tras el crecimiento de la capa buffer GaSb, el BT no puede usarse más debido a cambios de emisividad, rugosidad de superficie y mecanismos de absorción radiativa extra. Así, la temperatura de crecimiento de la T2SL InAs/GaSb se controla solo por el TC. T2SL MWIR 10 ML InAs/10 ML GaSb se crecen a diferentes temperaturas de sustrato, 330, 390 y 400 °C (TC) para investigar la influencia de la temperatura de crecimiento en las propiedades de transporte. Por otro lado, T2SL LWIR 24 ML InAs/7 ML GaSb se depositó solo a 390 °C. Para compensar la deformación entre InAs y GaSb, se usó una secuencia especial de obturadores, que se reportó conduce a mejor calidad estructural, como sigue: crecimiento de InAs seguido por inmersión de Sb de 8 s para formar enlaces tipo InSb, mientras que crecimiento de GaSb seguido por 2 s de inmersión de As para crecer interfaz tipo GaAs. La relación de flujo V/III es 8,3 y 4,6 para InAs y GaSb, respectivamente. Además, la tasa de crecimiento es 0,5 ML/s para ambos InAs y GaSb. El crecimiento se monitorizó in situ por sistema de difracción de electrones de alta energía por reflexión (RHEED).

Las muestras cultivadas se evaluaron por difracción de rayos X de alta resolución (HRXRD) de PANalytical X'Pert para investigar propiedades estructurales. Se utilizó radiación Cu Kα₁ (λ ≈ 1,5406 Å) originada de un foco lineal y un monocromador Ge (004) de cuatro rebotes. Las propiedades de transporte se evaluaron por mediciones de efecto Hall usando el método Van der Pauw en un sistema ECOPIA, con rango de temperatura 80-300 K. Las mediciones se realizaron en muestras cuadradas de 6 × 6 mm²; el contacto se hizo por puntos de indio en cada esquina. Un campo magnético de 0,4 T se aplicó normal a las muestras.

Resultados y Discusión

La Figura 1 ilustra las curvas de barrido 2θ-ω HRXRD medidas y simuladas de la reflexión simétrica (004) para T2SL MWIR y LWIR InAs/GaSb. La simulación se realiza por el software "Epitaxy" provisto por PANalytical X'Pert. Como se ve, hay satélites bien resueltos con orden hasta 4 para T2SL MWIR y hasta 7 para LWIR. Esto indica la alta calidad estructural de las capas crecidas, especialmente para T2SL LWIR. Por otro lado, el ancho a media altura (FWHM) del pico de orden cero medido en dirección ω-2θ es 107 y 99 arcsec para T2SL MWIR y LWIR, respectivamente. El período de la superred (L) se determina desde la distancia angular entre dos satélites adyacentes (Δθ) como sigue: L = λ / (2 × Δθ × cos θ_SL), donde λ es la longitud de onda del haz de rayos X incidente mencionado previamente y θ_SL es el ángulo de Bragg del pico de orden cero de la superred. De la Fig. 1, el período de las T2SL MWIR y LWIR es 6,74 ± 0,01 y 10,24 ± 0,02 nm, respectivamente. Ajustando la curva medida con la simulada, la composición de un período de T2SL MWIR se encuentra como sigue: GaSb 3,4 nm (11,2 ML), GaAs 0,1 nm (0,2 ML), InAs 3,0 nm (10,1 ML), e InSb 0,2 nm (0,5 ML). Además, los espesores de constituyentes de T2SL LWIR son: GaSb 2,3 nm (7,5 ML), GaAs 0,1 nm (0,2 ML), InAs 7,4 nm (24,7 ML), e InSb 0,4 nm (1 ML). El desajuste de red determinado desde el ángulo entre el pico de orden cero y la capa buffer GaSb es 8,9 × 10⁻³ y 4,5 × 10⁻³ para T2SL MWIR y LWIR, respectivamente. La Figura 2 presenta el mapa de espacio recíproco (RSM) asimétrico (115) para las T2SL cultivadas. En ambas muestras, los satélites de las superredes y el pico GaSb están alineados verticalmente (tienen el mismo componente del vector de dispersión Q_x), lo que lleva a la conclusión de que ambas T2SL están prácticamente totalmente tensionadas.

Los parámetros eléctricos en plano de las T2SL MWIR InAs/GaSb cultivadas se ilustran en la Fig. 3. Como se ve, la T2SL InAs/GaSb no intencionalmente dopada exhibe un cambio reproducible en el tipo de conductividad. A pesar de la influencia de la capa buffer GaSb (tipo p) en las mediciones de efecto Hall, debe notarse que el cambio en el tipo de conductividad se debe solo a la capa T2SL. Este cambio también fue reportado por varios grupos. La T2SL exhibe conducción tipo p por debajo de la temperatura en que ocurre el cambio (T_ch) y conducción tipo n por encima de T_ch. Como se mencionó previamente, las capas InAs y GaSb exhiben conducción tipo n y p, respectivamente. Por tanto, el fondo residual de la T2SL InAs/GaSb con espesor similar para los dos constituyentes es inducido por compensación de portadores mayoritarios de los constituyentes binarios de la T2SL. Para el valor de T_ch, Mohseni et al. reportaron 140 K, Christol et al. obtuvieron 190 K, mientras que Khoshakhlagh et al. señalaron 200 K. El comportamiento de la concentración de portadores en lámina y movilidad está gobernado por los bien conocidos mecanismos de dispersión de fonones intrínsecos (acústico, piezoeléctrico, polar y óptico no polar). Excepcionalmente, la movilidad Hall aumenta con el aumento de temperatura por encima de T_ch (Fig. 3b); esto es probablemente debido a trampas ionizadas por la interfaz InSb en la interfaz GaSb-sobre-InAs. El valor de T_ch es 145, 195 y 225 K para T2SL crecidas a 330, 390 y 400 °C, respectivamente; esto se debe probablemente a la alta concentración de huecos a mayor temperatura de crecimiento, que desplaza T_ch a temperatura más baja. La alta concentración de huecos se debe a defectos y vacancias ionizadas a alta temperatura de crecimiento. La T2SL InAs/GaSb MWIR crecida a 390 °C se caracteriza por concentración de portadores de 1,8 × 10¹⁶ y 2,5 × 10¹⁶ cm⁻³ a 80 y 300 K, respectivamente. Este resultado es mejor que el reportado por Mohseni et al. (concentración Hall de 1,5 a 4 × 10¹⁷ cm⁻³) y prácticamente el mismo que Christol et al. (concentración Hall de 1,6 × 10¹⁶ y 6 × 10¹⁶ cm⁻³ a 100 y 300 K, respectivamente). Por otro lado, la movilidad Hall es 1300 (tipo p) y 3200 cm²/V s (tipo n) a 80 y 300 K, respectivamente. La movilidad alcanzada es mucho mayor que la reportada por Christol et al., quienes obtuvieron movilidad Hall de 100 y 1800 cm²/V s a 100 y 300 K, respectivamente.

La resistividad de las tres muestras diferentes se muestra en la Fig. 4. Se nota que la resistividad y temperatura tienen dos pendientes bien definidas. Para cada muestra, dos energías de activación térmica pueden extraerse de la ley de Arrhenius. Para la región tipo n, la energía de activación E_an es 58, 72 y 68 meV para T2SL crecida a 330, 390 y 400 °C, respectivamente. Mientras que para la región tipo p, E_ap es igual a 7, 12 y 14 meV para T2SL depositada a 330, 390 y 400 °C, respectivamente. Para bajas temperaturas (por debajo de T_ch), la T2SL muestra tipo p debido a portadores tipo p asociados con E_ap que dominan los mecanismos de generación y recombinación de portadores. Para temperaturas por encima de T_ch, la T2SL exhibe conducción tipo n debido a la activación de portadores de nivel profundo asociados con alta energía de activación E_an. La fuente de estos niveles profundos son los niveles someros en InAs masivo que es resultado de la alineación de bandas entre InAs y T2SL InAs/GaSb y que actúan como niveles profundos en la T2SL InAs/GaSb.

La concentración Hall, movilidad y resistividad de la T2SL LWIR InAs/GaSb se presentan en la Fig. 5. Opuesto a la T2SL MWIR, no hay cambio de tipo de conductividad en el caso de esta muestra. Esta T2SL exhibe conducción tipo n. La influencia de la capa buffer GaSb tipo p (portadores de baja movilidad) en la medición de efecto Hall para esta T2SL tipo n (portadores de alta movilidad) es despreciable, ya que la movilidad Hall es proporcional al cuadrado de la movilidad de portadores. Khoshakhlagh et al. reportaron el mismo resultado para T2SL 13 ML InAs/7 ML GaSb. Además, Szmulowicz et al. señalaron que T2SL LWIR, en la que la capa InAs es más gruesa que GaSb, tiende a ser tipo n. Esta conducción tipo n se debe al gran espesor de la capa InAs (residualmente tipo n) comparado con GaSb. Estos portadores tipo n están asociados con una energía de activación de 33 meV (Fig. 5b). El comportamiento de la concentración Hall y movilidad es típico para semiconductores tipo n, excepto el rango de temperatura por debajo de 95 K, donde la concentración y movilidad de portadores son casi independientes de la temperatura. Esto indica la existencia de un mecanismo de dispersión independiente de temperatura en esta región. Este último se demuestra ser el mecanismo de dispersión por rugosidad interfacial (IRS). Este mecanismo es dominante a baja temperatura, donde la dispersión de fonones se congela. El mecanismo IRS se debe a la existencia de interfaces, así como la variación de espesores de capas, que resulta en variación de niveles de energía electrónicos; por tanto, actúan como fuente de dispersión de portadores. Además, la movilidad Hall dominada por mecanismo IRS es proporcional a la sexta potencia del espesor de InAs (μ ∝ d_InAs^6.2).

Conclusiones

En resumen, T2SL InAs/GaSb se han crecido en sustrato GaAs usando capa buffer GaSb basada en técnica IMF. Además, estas T2SL se han demostrado para regiones de detección MWIR y LWIR. Se ha encontrado que T2SL MWIR exhibe cambio en el tipo de conducción, de p a n a medida que aumenta la temperatura. Además, la temperatura en que ocurre el cambio aumenta a medida que aumenta la temperatura de crecimiento de las T2SL. Este cambio de tipo de conducción se atribuye a la existencia de dos niveles de impureza con dos energías de activación diferentes. Por otro lado, la conducción de T2SL LWIR InAs/GaSb se demuestra ser tipo n para todo el rango de temperatura. Además de los mecanismos de dispersión convencionales, el mecanismo IRS se prueba ser el mecanismo de dispersión dominante a bajas temperaturas. Estos resultados permiten mejor comprensión de las propiedades físicas de la T2SL InAs/GaSb, lo que conduce a la mejora del rendimiento de fotodetectores IR basados en este material.

Abreviaturas

BT:

BandiT

FPAs:

Arrays de plano focal

FWHM:

Ancho a media altura

HOT:

Alta temperatura de operación

HRXRD:

Difracción de rayos X de alta resolución

IMF:

Array de desajuste interfacial

IR:

Infrarrojo

IRS:

Dispersión por rugosidad interfacial

LWIR:

Infrarrojo de onda larga

MBE:

Epitaxia de haz molecular

MWIR:

Infrarrojo de onda media

RHEED:

Difracción de electrones de alta energía por reflexión

RSM:

Mapa de espacio recíproco

T2SL:

Superred de tipo-II

TC:

Termopar