Herstellung und optische Eigenschaften von GeBi-Filmen unter Verwendung der Molekularstrahl-Epitaxie-Methode

Hintergrund

Im Bereich der optischen Kommunikation hat sich die optische Wellenlänge in der Dichte-Wellenlängen-Multiplex-Technologie derzeit vom C-Band (1,53–1,56 μm) zum L-Band (1,56–1,62 μm) erweitert. Daher sollte die Wellenlänge optoelektronischer Detektoren das C-Band und das L-Band umfassen. Aufgrund neuer Anwendungen im mittleren Infrarot sollte die Ansprechgrenzwellenlänge von Detektoren jedoch länger als 2 μm sein. Es ist wichtig, photoelektrische Halbleiterdetektoren im Nahinfrarot- und Ferninfrarot-Wellenband mit einer Wellenlänge im Bereich von 2–10 μm vorzubereiten [1,2,3,4].

Bisher haben sich Ge-basierte Legierungen als vielversprechende Materialien für optoelektronische Infrarotdetektoren erwiesen. 1984 stellten AT&T.Bell Laboratories GeSi-Film-n-i-p-Geräte nach der Molekularstrahlepitaxie (MBE) her, und die Arbeitswellenlänge betrug 1,45 μm [5, 6]. 2010 stellte die Universität Stuttgart GeSn-Filme mit 0,5–3% Sn-Gehalt unter Verwendung niedriger Wachstumstemperaturen und Pin-Detektoren mit 1,2–1,6 μm Betriebswellenlänge her [7,8,9,10]. Im Jahr 2011 stellte der Akademiker Wang Qiming von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften die GeSn-Legierung mit 1,0–3,5% Sn-Gehalt her und fertigte dann erfolgreich Pin-Detektoren mit einer Arbeitswellenlänge im Bereich von 1,3–1,6 μm [11,12,13]. 2014 entwickelte M. Oehme GeSn/Ge-Photodetektoren mit mehreren Quantenmulden mit vertikalen Strukturen, und die Grenzfrequenz des Pins lag über 1,6 μm [14]. Im Jahr 2015 hat S. Wirths erfolgreich GeSn-Filme mit direkten Bandlücken und GeSn-Filmdetektoren mit einer Wellenlänge von 1,5 µm hergestellt [15]. K. Toko fertigte optoelektronische Bauelemente mit einer Wellenlänge von 1,2–1,6 μm auf flexiblen Substraten durch HF-Magnetron-Sputtering-Technologie an [16]. Die Grenzwellenlänge von GeSi- und GeSn-Halbleiter-Infrarotdetektoren ist jedoch immer noch kürzer als 2,0 μm und die Anwendungswellenlänge kann nicht das gesamte C-Band und L-Band umfassen. Die Suche nach neuen Materialien mit einer längeren Grenzwellenlänge ist hilfreich, um dieses Problem zu lösen.

Hier berichten wir über die Herstellung und die optischen Eigenschaften eines n-Typ GeBi-Halbleiterdünnfilms mit längerer Grenzwellenlänge unter Verwendung der MBE-Methode. Die Grenzfrequenz lag bei 2,3 μm und die Wellenlänge für Anwendungen lag im Bereich von 1,44 bis 1,93 μm, was sowohl das C-Band als auch das L-Band umfasst. In dieser Studie wurden die Auswirkungen der Bi-Legierung auf die Infrarot- und Terahertz-(THz)-Eigenschaften von Ge_1 − x Bi_x Filme werden detailliert untersucht.

Experimentelle Verfahren

GeBi-Filme wurden unter Verwendung der MBE-Methode mit einem Vakuumdruck im Bereich von 4 × 10 ^–9 . gezüchtet bis 5 × 10 ⁻¹⁰ Torr. Ge-Atome und Bi-Atome wurden aus einer Ge-Quelle (1200 °C) bzw. einer Bi-Quelle (400–550 °C) ausgestoßen, die auf der (100)-Substratoberfläche eines p-Typ-Si-Einkristallwafers ankamen, und bildeten schließlich die Filme. Die Substrattemperatur betrug 150 °C und die Wachstumsrate lag im Bereich von 1,66 bis 2,50 nm/min. Die detaillierten Wachstumsparameter der GeBi-Filme sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Die Phasenbildung von GeBi-Filmen wurde durch streifende Röntgenbeugung (XRD) charakterisiert. Die Morphologie der GeBi-Filme wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM; JMS6490LV, JEOL, Tokio, Japan) analysiert. Die Rauheit der Proben wurde mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM, 300 HV, SEIKO, Japan) geprüft. Die Raman-Spektroskopie wurde mit einem Raman-Spektrometer (LabRAM HR, Edison, NJ, USA) getestet. Die Nahinfrarot- und Ferninfrarot-Eigenschaften der GeBi-Filme wurden mit einem optischen Spektrometer (Lambda 75UV/VIS/NIR) und einem Ferninfrarot-Spektrometer gemessen. Die Übertragungseigenschaften der THz-Welle wurden durch THz-Zeitbereichsspektroskopie gemessen.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1 zeigt XRD-Muster des vorbereiteten Ge_1 − x Bi_x Filme. Es ist zu erkennen, dass in allen MBE-Wachstumsproben charakteristische Beugungspeaks zu finden sind, die auf GeBi-Legierungen zurückzuführen sind. Abbildung 1 zeigt die XRD-Ergebnisse von Ge_1 − x Bi_x Filme, die durch MBE ohne thermische Behandlung gezüchtet wurden. Alle Proben zeigen die Beugungspeaks des GeBi-Films, während die kristalline Eigenschaft der Proben variiert, wenn der Bi-Gehalt (x ) ändert sich von 0,020 auf 0,222. Bei niedrigem Bi-Gehalt (x = 0,020), der Ge_0,980 Bi_0,02 Es wurde festgestellt, dass der Film entlang der (014)-Richtung ausgerichtet ist, siehe Abb. 1. Mit einem auf x increased erhöhten Bi-Gehalt = 0,102, neben dem (104) Peak, der bei 2θ . liegt = 38.2 ^o , der (012)-Peak des GeBi-Films um 2θ = 27.2 ^o beginnt zu erscheinen. Mit steigendem Bi-Gehalt (x ) von 0,183 auf 0,222 wurde die Intensität des (012)-Peaks dramatisch erhöht, während der (104)-Peak fast verschwand. Dies zeigt das Ge_1 − x . an Bi_x Filme mit höherem Bi-Gehalt wurden vorzugsweise entlang der (012)-Richtung statt der (104)-Richtung orientiert. Die unterschiedlichen Gehalte an Bi hatten einen Einfluss auf die Mikrostrukturen der Filme. Bei den GeBi-Filmen mit unterschiedlichen Bi-Gehalten könnte eine Änderung der Wachstumsparameter die bevorzugte Wachstumsrichtung beeinflussen. Wir vermuten, dass Bi-Atome aufgrund des niedrigen Schmelzpunkts von Bi-Atomen Gruppen mit Ge-Atomen bildeten, in Kristallgitter eintraten und Ge-Bi-Zellen bildeten. XRD-Ergebnisse zeigen, dass GeBi-Filme erfolgreich mit der MBE-Methode hergestellt wurden und ihre kristallinen Eigenschaften durch Änderung des Bi-Gehalts im Ge_1 − x . manipuliert werden konnten Bi_x Filme.

XRD-Muster von Ge_1 − x Bi_x film GeBi-Filme mit unterschiedlichen Bi-Gehalten von x = 0,020 bis x = 0,222

Typische REM-Aufnahmen des Ge_1 − x Bi_x Filmproben sind in Abb. 2 dargestellt. Wenn der Bi-Gehalt 2,0 % betrug (x = 0,02), der GeBi-Film wuchs gut und seine Oberfläche war sehr glatt, siehe Abb. 2a. Als der Bi-Gehalt auf 10,2 % anstieg, gab es einige kleine Punkte in homogenen Medien, die Ausdruck des anfänglichen Bildungsprozesses neuer Phasen waren, siehe Abb. 2b. Aufgrund des Prinzips der niedrigsten Energie segregieren und aggregieren oberflächliche Bi-Atome zu Gruppen (Größe 33–42 nm). Wenn der Bi-Gehalt 18,3 % erreichte, gab es im Film mindestens drei Phasen, wie GeBi, amorphes Bi und Ge, siehe Abb. 2c, d. Die Korngröße von GeBi-Filmen war sehr groß, bis zu etwa 1000 nm. Die getrennten Bi- und Ge-Partikel mit einer kleinen Korngröße im Bereich von 30,7 bis 118,0 nm wurden zwischen den Kristallgrenzen der GeBi-Körner gefunden. Wir fanden, dass, wenn der Bi-Gehalt über der Feststofflöslichkeit in der GeBi-Legierung liegt, überschüssige Bi-Atome abgeschieden werden und Bi-Phasen an der großen Korngrenze bei niedrigen Temperaturen gebildet werden. Einige Ge-Atome, die aufgrund der Einschränkung der niedrigen Temperatur nicht mit Bi-Atomen reagieren konnten, bildeten auch an der großen Korngrenze die Ge-Phase. Dennoch könnte die Erhöhung des Bi-Gehalts das bevorzugte Wachstum von GeBi-Körnern begünstigt haben und die Korngrößen änderten sich von 42 auf 100 nm, siehe Abb. 2b, d.

Typische REM-Muster von GeBi-Filmen mit unterschiedlichen Bi-Gehalten:a 2,0 %; b 10,2 %; c 18,3%; und d 20,3%

Abbildung 3 zeigt typische AFM-Bilder von Ge_1 − x Bi_x Filme mit verschiedenen Bi-Gehalten und der Ra-Wert und die RMS-Werte sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Mit steigendem Bi-Gehalt stiegen der Ra-Wert und die RMS-Werte drastisch an, was auf die Oberflächenrauheit von Ge_{1 − x Bix Filme wird erhöht. In der Zwischenzeit gab es in Abb. 3b–d einige unregelmäßige Peaks aufgrund der heterogenen Korngröße und kleiner Körner in den Korngrenzen. Wenn der Gehalt an Bi zu hoch war, war die Anzahl der durch Ge-Atome ersetzten Bi-Atome aufgrund der Einschränkung der Feststofflöslichkeit von Bi in der GeBi-Legierung begrenzt. Überzählige Bi-Atome, die auf dem Film abgeschieden wurden, machten den Film rauh und hatten einen großen Einfluss auf die Mikrostruktur von GeBi-Filmen, was mit den REM-Ergebnissen übereinstimmt.}

AFM-Testergebnisse von GeBi-Filmen mit unterschiedlichen Bi-Gehalten:a 2,0 %; b 10,2 %; c 18,3%; und d 20,3%

Abbildung 4 zeigt Raman-Spektren bei Raumtemperatur des gewachsenen Ge_1 − x Bi_x Filme mit unterschiedlichen Bi-Gehalten, die von MBE erstellt wurden. Eine Reihe von Peaks bei etwa 190 cm ⁻¹ könnte auf den Ge-Bi-Vibrationsmodus zurückgeführt werden. Mit steigendem Bi-Gehalt wurde der Ge-Bi-Peak stärker und verschob sich zu einer höheren Wellenzahl (cm ⁻¹ ). Die Verschiebung zu höheren Wellenzahlen zeigte, dass mit der Zunahme des Bi-Gehalts die nicht übereinstimmende Rate der Gitterkonstanten von Filmen und die Gitterspannung in GeBi-Filmen zunahmen. Daraus kann geschlossen werden, dass die Bi-Dotierung ein effektiver Weg ist, um die Gitterspannung von Ge_1 − x . abzustimmen Bi_x Dünnschichten aus Legierungen.

Raman-Spektren von GeBi-Filmen mit unterschiedlichen Bi-Gehalten

Abbildung 5 zeigt die Nahinfraroteigenschaften der GeBi-Filme mit unterschiedlichen Bi-Gehalten. Das Absorptionsverhalten der Filme wurde aus ihren Reflexions- und Transmissionseigenschaften erhalten. Wie in Abb. 5a gezeigt, verringerte sich das Reflexionsvermögen von GeBi-Filmen mit zunehmendem Bi-Gehalt im Bereich von 1014–2500 nm, was darauf hindeutete, dass die Absorption der Filme zunahm. Das Tal im Bereich von 1932–1938 nm könnte der indirekten Bandlückenabsorption der GeBi-Filme zugeschrieben werden. Und die Tiefe des energieabsorbierenden Tals verringert sich mit zunehmendem Bi-Gehalt. Wenn der Bi-Gehalt mehr als 20 % betrug, verschwand das Tal im Bereich von 1932–1938 nm. Direkte Bandlücken von GeBi-Filmen lagen im Bereich von 1446–1452 nm; die Tiefe des energieabsorbierenden Tals verringerte sich auch mit zunehmendem Bi-Gehalt. Wenn der Bi-Gehalt über 20,3 % lag, verschwand das Tal im Bereich von 1446–1452 nm. Zusammenfassend verringert die Erhöhung des Bi-Gehalts das Reflexionsvermögen von GeBi-Filmen, erhöht den Extinktionskoeffizienten und lässt die reflektierten Amplituden schließlich abnehmen. Wie in Abb. 5b gezeigt, gab es einen Wendepunkt bei etwa 1020 nm (1,22 eV), der der verbotenen Bandlücke von Si bei 1,12 eV zugeschrieben wurde. Wenn die Wellenlänge kleiner als der Wert des Wendepunkts war, war die Durchlässigkeit der GeBi-Filme und des Si-Substrats gering. Im Bereich von 1020–2500 nm nahm die Durchlässigkeit mit zunehmender Wellenlänge zu. Wenn jedoch der Bi-Gehalt von 18,3 auf 22,2 % anstieg, wurde die Durchlässigkeit verringert. Im Bereich von 800–1600 nm wirkten sich enorme Änderungen des Brechungsindex, des Extinktionskoeffizienten und der übermäßige Bi-Gehalt auf die Absorption von Filmen aus [17, 18].

Reflexionsspektren (a ) und Transmissionsspektren (b ) von GeBi-Filmen mit unterschiedlichen Bi-Gehalten im nahen Infrarot-Wellenband

Abbildung 6 zeigt Eigenschaften der GeBi-Filme mit verschiedenen Bi-Gehalten im Ferninfrarot-Wellenband. Es gab ein hohes und stabiles Absorptionsfenster für GeBi-Filme im 4–15-μm-Wellenband, siehe Abb. 6a, b. Da die Prinzipien von Reflexion und Transmission unterschiedlich waren, konnten wir die Absorption von GeBi-Filmen nicht direkt aus Abb. 6a, b ermitteln. Wir analysierten die Brechung und experimentelle Ergebnisse des Extinktionskoeffizienten von Ge-Filmen im 1–25-μm-Wellenband [17], betrachteten den Einfluss des Bi-Gehalts auf die Ge-Filme und erhielten die Absorptionsspektren von GeBi-Filmen in Infrarotband schließlich, siehe Abb. 6c. Mit steigendem Bi-Gehalt von 2 auf 10,2 % stieg die Absorption im Bereich von 1 bis 25 µm von 9,3 auf 22,6 %. Die Absorption hatte die gleiche Tendenz bei weiter steigendem Bi-Gehalt. Wenn jedoch der Bi-Gehalt ansteigt, nimmt die Absorption von Ge_{1  –  x} Bi_x dünne Filme nahmen im Bereich von 1,0 bis 7,5 μm zu und nahmen dann im Bereich von 7,5–25 μm ab. Ein Bi-Gehalt von über 10 % führte dazu, dass die Bi-Atome in GeBi-Filmen abgeschieden wurden, die Oberflächenrauhigkeit zunahm und dann die Absorption verringert wurde. Abbildung 7 zeigt die THz-Durchlässigkeit als Funktion der Frequenz für die GeBi-Filme mit unterschiedlichen Bi-Gehalten. Wenn der Bi-Gehalt von 2 auf 10,2 % anstieg, verringerte sich die Durchlässigkeit um 10 %. Die Durchlässigkeit stieg leicht an, wobei der Bi-Gehalt von 18,3 auf 22,2 % anstieg. Die Transmissionsmessungen zeigen, dass die THz-Eigenschaften von Ge_1 − x Bi_x Dünnschichten könnten durch Variieren des Bi-Gehalts abgestimmt werden, was für Anwendungen wie THz-Wellenmodulatoren sehr wichtig ist [19].

Transmissionsspektren (a ), Reflexionsspektren (b ) und Absorptionsspektren (c ) von GeBi-Filmen mit unterschiedlichen Bi-Gehalten im Ferninfrarot-Wellenband

THz-Transmissionsspektren von GeBi-Filmen mit unterschiedlichen Bi-Gehalten

Schlussfolgerung

Zusammenfassend ist Ge_1 − x Bi_x Filme mit Bi-Anteil x = 0 bis 0,222 wurden erfolgreich auf p-Si(100)-Substraten unter Verwendung von Niedertemperatur-MBE gezüchtet. XRD- und SEM-Ergebnisse zeigten, dass ihre kristallinen und morphologischen Eigenschaften durch Änderung des Bi-Gehalts im Ge_1 − x . manipuliert werden könnten Bi_x Filme. Die Einflüsse des Bi-Gehalts auf die optischen Eigenschaften einschließlich der Infrarot- und THz-Leistungen des Ge_1 − x Bi_x Filme wurden systematisch untersucht. Der mäßige Anstieg des Bi-Gehalts reduzierte das Reflexionsvermögen und variierte das Transmissionsvermögen in Infrarotwellenlängen. Die Transmission von GeBi-Filmen im THz-Band nahm mit der moderaten Zunahme des Bi-Gehalts ab. Daraus kann geschlossen werden, dass die MBE Ge_1 − x Bi_x Filme sind vielversprechende Materialien sowohl für Infrarot- als auch für THz-Anwendungen.

Abkürzungen

AFM:

Rasterkraftmikroskopie

MBE:

Molekularstrahlepitaxie

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

THz:

Terahertz

XRD:

Röntgenbeugung