Technologie n-typiger GeBi-Dünnschichten durch Molekularstrahlepitaxie: Kristalline Kontrolle und Infrarot/THz-Optische Leistung

Zusammenfassung

Germanium-Bismut-Legierungen (Ge₁₋ₓBiₓ) haben sich als vielversprechende Infrarot-Halbleiter etabliert, da ihre Bandlücke einstellbar ist und sie eine hohe Trägerbeweglichkeit aufweisen. In dieser Studie berichten wir über das niedertemperaturige Molekularstrahlepitaxie-Wachstum (MBE) von n-typigen GeBi-Dünnschichten mit Bismutgehalten von 2 % bis 22,2 %. Umfassende strukturelle Analysen durch Röntgenbeugung (XRD), Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) bestätigen die erfolgreiche Bismut-Einlagerung und die Entwicklung der kristallographischen Orientierung von (014) zu (012) mit steigendem Bi-Gehalt. Optische Messungen zeigen, dass Bi-Dotierung die Reflexion verringert, die Transmission im Nahinfrarot (NIR) erhöht und die Abschneidewellenlänge auf 2,3 µm ausdehnt, wodurch sowohl C-Band als auch L-Band abgedeckt werden. Terahertz (THz)-Spektroskopie belegt, dass moderate Bi-Einlagerung die THz-Transmission verringert und damit ein einstellbares THz-Ansprechverhalten ermöglicht. Diese Ergebnisse positionieren GeBi-Filme als vielseitige Materialien für Infrarot- und THz-photonische Bauelemente.

Hintergrund

Die Ausweitung der dichten Wellenlängenmultiplexing (DWDM) in das L-Band (1,56–1,62 µm) erfordert optoelektronische Detektoren, die über den gesamten 1,44–1,93 µm-Bereich arbeiten können. Bestehende Ge-basierte Legierungen wie GeSi und GeSn erreichten Abschneidewellenlängen bis 1,6 µm, wobei die 2-µm-Grenze für Anwendungen in der Mittelinfrarot-Sensorik und Freiraumkommunikation unerreicht blieb.

GeBi bietet eine überzeugende Alternative: Durch Einlagerung von Bi in das Ge-Gitter kann die Bandlücke in Richtung längerer Wellenlängen gestaltet werden, während die n-Typ-Leitfähigkeit erhalten bleibt. Frühere Arbeiten zu GeSn und GeBi zeigten das Potenzial für hochleistungsfähige Detektoren im 1,3–1,6 µm-Bereich, doch die Abschneidewellenlänge blieb begrenzt. Diese Studie demonstriert, dass mittels MBE gewachsene GeBi-Filme eine Abschneidewellenlänge von 2,3 µm erreichen und damit die Lücke zwischen C-Band- und L-Band-Detektion effektiv schließen.

Experimentelle Verfahren

GeBi-Filme wurden auf p-typen Si (100)-Wafern in einer kundenspezifischen MBE-Kammer bei einem Basisdruck von 4 × 10⁻⁹ bis 5 × 10⁻¹⁰ Torr abgeschieden. Ge und Bi stammten aus Effusionszellen, erhitzt auf 1200 °C bzw. 400–550 °C, um ein kontrolliertes Flussverhältnis zu erzielen. Die Substrattemperatur wurde bei 150 °C gehalten, was Wachstumsraten zwischen 1,66 und 2,50 nm min⁻¹ ergab. Detaillierte Wachstumsparameter sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Zur strukturellen Charakterisierung kamen Grazing-Incidence-XRD, SEM (JMS6490LV, JEOL), AFM (300 HV, SEIKO) und Raman-Spektroskopie (LabRAM HR, Edinburgh Instruments) zum Einsatz. Optische Absorption und Transmission wurden mit einem Lambda 75 UV/VIS/NIR-Spektrometer und einem Fourier-Transform-Ferninfrarot-Spektrometer gemessen. Die THz-Transmission wurde durch zeitbereichsbasierte THz-Spektroskopie (THz-TDS) ermittelt.

Ergebnisse und Diskussion

XRD-Analyse
Abbildung 1 zeigt, dass alle Proben klare GeBi-Beugungspeaks aufweisen. Bei niedrigem Bi-Gehalt (x = 0,020) ist der Film entlang (014) orientiert. Mit steigendem Bi auf x = 0,102 nimmt der (104)-Peak ab, während der (012)-Peak erscheint. Für x ≥ 0,183 dominiert die (012)-Orientierung, was auf eine spannungsgetriebene Neuorientierung aufgrund der größeren Gitterkonstante von Bi hinweist.

SEM-Morphologie
Abbildung 2 veranschaulicht die Oberflächenentwicklung. Bei 2 % Bi ist der Film glatt (Abb. 2a). Bei 10,2 % Bi treten isolierte Bi-reiche Punkte (33–42 nm) auf (Abb. 2b). Über 18,3 % Bi koexistieren sekundäre Phasen (amorphes Bi, Ge) mit der primären GeBi-Phase, und Korngrößen erreichen ~1 µm (Abb. 2c,d). Überschüssiges Bi über die Löslichkeitsgrenze hinaus segregiert an Korngrenzen und erzeugt Oberflächenrauheit.

AFM-Oberflächenrauheit
Abbildung 3 zeigt AFM-Topografien. Die quadratische Mittelrauheit (RMS) steigt mit Bi-Gehalt sprunghaft an und erreicht ~15 nm bei 20,3 % Bi. Die erhöhte Rauheit korreliert mit der im SEM beobachteten Bi-Segregation.

Raman-Spektroskopie
Abbildung 4 zeigt den Ge-Bi-Schwingungsmode nahe 190 cm⁻¹. Mit steigendem Bi-Gehalt verstärkt sich der Peak und verschiebt sich zu höheren Wellenzahlen, was auf eine Verstärkung der Gitterspannung und erfolgreiche Bi-Einlagerung hinweist.

Nahinfrarot-Optische Eigenschaften
Abbildung 5a zeigt, dass die Reflexion über 1014–2500 nm mit steigendem Bi-Gehalt abnimmt, was höhere Absorption impliziert. Das Absorptionstal bei 1932–1938 nm (indirekte Bandlücke) nimmt ab und verschwindet für Bi > 20 %. Die direkte Bandabsorption um 1446–1452 nm schwächt sich bei hohem Bi ähnlich ab. Abbildung 5b demonstriert eine Transmissions-Wendestelle nahe 1020 nm, die der Bandkante des Si-Substrats zugeschrieben wird. Insgesamt reduziert höherer Bi-Gehalt die Reflexion und justiert die Transmission im NIR, was die Detektoreigenschaften verbessert.

Ferninfrarot- und THz-Ansprechverhalten
Abbildung 6a und 6b offenbaren ein stabiles Absorptionsfenster zwischen 4–15 µm, während Abbildung 6c zeigt, dass die Absorption von 9,3 % auf 22,6 % ansteigt, wenn Bi von 2 % auf 10,2 % zunimmt. Über 10 % Bi erreichen Absorptionspeaks nahe 1–7,5 µm und fallen bei längeren Wellenlängen ab, was auf Oberflächenrauheit und Bi-Phasenbildung zurückzuführen ist. Die THz-Transmission (Abbildung 7) sinkt um ~10 %, wenn Bi von 2 % auf 10,2 % steigt, erholt sich aber bei 18,3–22,2 % Bi leicht, was ein einstellbares THz-Absorptionsverhalten anzeigt, das für Modulatoren nutzbar sein könnte.

Schlussfolgerung

Wir haben erfolgreich n-typige Ge₁₋ₓBiₓ-Dünnschichten (x = 0–0,222) auf p-Si(100)-Substraten durch niedertemperaturige MBE gezüchtet. XRD und SEM bestätigen, dass Bi-Einlagerung die kristallographische Orientierung und Mikrostruktur bestimmt, während AFM und Raman die Gitterspannungsmodulation belegen. Optische Studien demonstrieren, dass moderate Bi-Dotierung die NIR-Reflexion senkt, die Abschneidewellenlänge auf 2,3 µm ausdehnt und die THz-Transmission einstellt, was GeBi als starken Kandidaten für breitbandige Infrarotdetektoren und THz-Modulatoren positioniert.

Abkürzungen

AFM:

Rasterkraftmikroskopie

MBE:

Molekularstrahlepitaxie

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

THz:

Terahertz

XRD:

Röntgenbeugung