In-Ebene elektrischer Transport von InAs/GaSb Mittel- und Langwellen-Infrarot-Supergittern, auf GaAs durch Molekularstrahlepitaxie gewachsen

Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit berichten wir über die In-Ebene elektrischen Transporteigenschaften von Mittelwellen-Infrarot (MWIR) und Langwellen-Infrarot (LWIR) InAs/GaSb Typ-II-Supergittern (T2SLs), gewachsen durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf GaAs (001) Substrat. Der enorme Gitterfehlpass zwischen T2SL und GaAs-Substrat wird durch Wachstum einer GaSb-Pufferlage basierend auf der interfacialen Fehlpass-Array (IMF) Technik reduziert. Um die Spannung im InAs/GaSb T2SL zu kompensieren, nutzten wir eine spezielle Shutter-Sequenz, um InSb-ähnliche und GaAs-ähnliche Grenzflächen zu erhalten. Es zeigt sich, dass der MWIR InAs/GaSb T2SL bei niedrigen Temperaturen p-Typ- und bei hohen Temperaturen n-Typ-Leitung aufweist. Interessanterweise ist die Leitungswechsel-Temperatur abhängig von der Wachstumstemperatur. Andererseits wird die LWIR T2SL-Leitung ausschließlich von Elektronen dominiert. Es ist wichtig zu beachten, dass der dominierende Streumechanismus im LWIR T2SL bei niedrigen Temperaturen der Grenzflächenrauheits-Streumechanismus ist.

Hintergrund

Seit InAs/GaSb T2SL 1977 von Sai-Halasz et al. konzeptualisiert wurde, wurde diesem Halbleitermaterial große Aufmerksamkeit gewidmet. Photodetektoren basierend auf diesem T2SL bieten theoretisch höheres Potenzial gegenüber Quecksilber-Cadmium-Tellurid (HgCdTe) und den modernsten Infrarot-Materialsytemen für die nächste Generation von Infrarot-Anwendungen. Interessanterweise zeigt InAs/GaSb T2SL ein ungewöhnliches Typ-II gebrochenes Band-Layout, wo das InAs-Leitungsbandminimum 140 meV niedriger liegt als das GaSb-Valenzbandmaximum. Folglich hängt der fundamentale Übergang zwischen den Schwerloch-Subbändern und dem Leitungsbandboden von der Dicke der InAs- oder GaSb-Lage ab. Der Hauptvorteil dieser Ausrichtung ist die Reduktion der Auger-Rekombinationsrate dank Unterdrückung nicht-strahlender Pfade im Valenzband. Zusätzlich wird Band-zu-Band-Tunneln signifikant verringert aufgrund der großen effektiven Massen (≈ 0,04 m₀) von Elektronen und Löchern. Diese beiden Merkmale erlauben die Reduktion des Dunkelstroms, was zu hoher Betriebstemperatur (HOT) des Photodetektors führt.

InAs/GaSb T2SL wird traditionell auf gitterangepasstem GaSb-Substrat gewachsen. Dieses ist jedoch teuer und in kleinen Größen < 3 Zoll verfügbar, was die Realisierung großformatiger Fokalebenen-Arrays (FPAs) behindert. Zudem sind GaSb-Substrate nicht „epi-ready“ und ihre Wachstumsoberflächen enthalten viele makroskopische Defekte. Weiterhin ist der Absorptionskoeffizient in GaSb-Substrat relativ hoch (≈ 100 cm⁻¹) für IR-Strahlung über 5 µm. Aufgrund seiner zahlreichen Vorteile wurde GaAs als praktikabler Kandidat für das Wachstum von InAs/GaSb T2SL vorgeschlagen. Sie sind „epi-ready“, kosteneffizient und in großen Größen bis 6 Zoll verfügbar. Außerdem hat GaAs einen Absorptionskoeffizienten zwei Größenordnungen niedriger als GaSb. Leider besteht ein enormer Gitterfehlpass (~7,5 %) zwischen GaAs und InAs/GaSb T2SL, der zu hoher Fehlpassdislokationsdichte (10⁹ cm⁻²) führt. Daher ist es zwingend, neue Wachstumstechniken zu entwickeln, um Spannung abzubauen und Dislokationsdichte zu reduzieren. Zu diesen Techniken gehören Niedrigtemperatur-Nukleation und IMF-Technik.

Um die Leistung von Photodetektoren basierend auf InAs/GaSb T2SL zu verbessern, ist ein besseres Verständnis fundamentaler Parameter nötig. Einer dieser Parameter ist die Hintergrundträgerkonzentration, die mit der Minderheitsträgerlebensdauer und Diffusionslängen assoziiert ist. Es ist erwähnenswert, dass InAs und GaSb Volumenmaterialien entgegengesetzte Polarität der Trägerkonzentration aufweisen. InAs und GaSb Materialien, gewachsen mittels MBE, sind residuell n- bzw. p-Typ. Folglich wird die Leitung des InAs/GaSb T2SL vorhergesagt, abhängig von der Dicke jedes Bestandteils zu sein.

In diesem Papier untersuchen wir die In-Ebene Transporteigenschaften von 10 ML InAs/10 ML GaSb und 24 ML InAs/7 ML GaSb T2SLs, dediziert für Detektion im MWIR und LWIR Bereich, jeweils, gewachsen auf halbleitenden GaAs (001) Substraten. Diese Studie wird durch temperaturabhängige Hall-Effekt-Messung mittels Van-der-Pauw-Methode erreicht. Daneben wird der Einfluss der Wachstumstemperatur auf die Leitung des InAs/GaSb T2SL präsentiert.

Methoden

InAs/GaSb T2SL Proben wurden auf halbleitenden GaAs (001) Substraten in einem RIBER Compact 21-DZ Feststoffquellen MBE-System gewachsen. Dieses ist mit Standard-Effusionszellen für Gruppe-III-Elemente (Indium (In) und Gallium (Ga)) und Ventil-geknackten Zellen für Gruppe-V-Materialien (Arsen (As) und Antimon (Sb)) ausgestattet. Die Knackertemperaturen wurden bei 900 °C für sowohl As als auch Sb gehalten, um As₂ und Sb₂ zu produzieren. Der Manipulator-Thermoelement (TC) und BandiT (BT) werden zur Überwachung der Wachstumstemperatur genutzt. Letztere wurde vom GaAs-Oxid-Desorptionstemperatur kalibriert. Nach Deoxidation der GaAs-Substrate bei 610 °C (gemessen durch BT) wurde eine 250-nm-dicke GaAs-Schicht bei 585 °C (BT) abgeschieden, um eine glatte Startsurface zu erhalten. Anschließend wurde eine 1-µm-dicke GaSb-Pufferlage mittels IMF-Technik bei einer BT-Temperatur von 440 °C gewachsen. Diese Technik besteht in der Bildung eines periodischen Arrays von 90° Fehlpassdislokationen an der GaAs/GaSb-Grenzfläche, was zu niedriger Dislokationsdichte (≈ 10⁶ cm⁻²) führt. Nach Wachstum der GaSb-Pufferlage kann BT nicht mehr genutzt werden aufgrund von Emissivitätsänderungen, Oberflächenverrauung und zusätzlichen Strahlungsabsorptionsmechanismen. Daher wird die Wachstumstemperatur des InAs/GaSb T2SL nur durch TC gesteuert. MWIR 10 ML InAs/10 ML GaSb T2SLs werden bei verschiedenen Substrattemperaturen, 330, 390 und 400 °C (TC) gewachsen, um den Einfluss der Wachstumstemperatur auf Transporteigenschaften zu untersuchen. Andererseits wurde LWIR 24 ML InAs/7 ML GaSb T2SL nur bei 390 °C abgeschieden. Um die Spannung zwischen InAs und GaSb zu kompensieren, wurde eine spezielle Shutter-Sequenz, die zu besserer struktureller Qualität führt, wie folgt verwendet: InAs-Wachstum wurde von 8 s Sb-Soak gefolgt, um InSb-ähnliche Bindungen zu bilden, während GaSb-Wachstum von 2 s As-Soak gefolgt wurde, um GaAs-ähnliche Grenzflächen zu wachsen. Das V/III Flussverhältnis beträgt 8,3 und 4,6 für InAs und GaSb, jeweils. Außerdem beträgt die Wachstumsrate 0,5 ML/s für sowohl InAs als auch GaSb. Das Wachstum wurde in situ durch Reflexions-Hochenergie-Elektronenbeugung (RHEED) überwacht.

Die gewachsenen Proben wurden durch hochauflösende Röntgenbeugung (HRXRD) von PANalytical X'Pert untersucht, um strukturelle Eigenschaften zu erforschen. Cu Kα₁ Strahlung (λ ≈ 1,5406 Å) von einem Linienfokus und einem vierfachen Ge (004) Monochromator wurden genutzt. Transporteigenschaften wurden durch Hall-Effekt-Messungen mittels Van-der-Pauw-Methode in einem ECOPIA-System evaluiert, mit Temperaturbereich 80–300 K. Messungen erfolgten an quadratischen Proben von 6 × 6 mm²; Kontakt wurde durch Indiumpunkte in jeder Ecke hergestellt. Ein Magnetfeld von 0,4 T wurde normal zu den Proben angelegt.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1 zeigt die gemessenen und simulierten HRXRD 2θ-ω Scankurven der symmetrischen (004) Reflexion für MWIR und LWIR InAs/GaSb T2SLs. Die Simulation wird durch die „Epitaxy“ Software von PANalytical X'Pert durchgeführt. Wie zu sehen, gibt es gut aufgelöste Satelliten bis zur 4. Ordnung für MWIR T2SL und bis zur 7. Ordnung für LWIR. Dies deutet auf hohe strukturelle Qualität der gewachsenen Lagen hin, besonders für LWIR T2SL. Andererseits beträgt die Halbwertsbreite (FWHM) des nullten Peaks gemessen in ω-2θ Richtung 107 und 99 Bogensekunden für MWIR und LWIR T2SLs. Die Supergitterperiode (L) wird aus dem Winkelabstand zwischen zwei benachbarten Satelliten (Δθ) bestimmt als:

HRXRD 004 2θ-ω Scan von a MWIR b und LWIR InAs/GaSb T2SLs. Experimentell (schwarze Linie) und simuliert (rote Linie) HRXRD 2θ-ω Scans für die (004) Reflexion von a MWIR T2SL; gut aufgelöste Satelliten bis zur 4. Ordnung, charakteristisch für gute Supergitterqualität. FWHM des nullten Peaks ist 107 Bogensekunden. b LWIR InAs/GaSb T2SLs; Satellitenpeaks bis zur 7. Ordnung, bestätigt hohe Kristallqualität. FWHM des nullten Peaks ist 99 Bogensekunden. Die Periode jedes Supergitters wird aus dem Abstand benachbarter Satelliten berechnet.

$$ L=\lambda /\left(2\times \Delta \theta \times \mathit{\cos}{\theta}_{SL}\ \right) $$ (1)

wobei λ die Wellenlänge des einfallenden Röntgenstrahls und θ_SL der Bragg-Winkel des nullten Peaks des Supergitters ist. Aus Abb. 1 beträgt die Periode der MWIR und LWIR T2SLs 6,74 ± 0,01 bzw. 10,24 ± 0,02 nm. Durch Anpassung der gemessenen Kurve an die simulierte wird die Zusammensetzung einer Periode des MWIR T2SL wie folgt gefunden: GaSb 3,4 nm (11,2 ML), GaAs 0,1 nm (0,2 ML), InAs 3,0 nm (10,1 ML) und InSb 0,2 nm (0,5 ML). Zudem betragen die Dicken der LWIR T2SL Bestandteile: GaSb 2,3 nm (7,5 ML), GaAs 0,1 nm (0,2 ML), InAs 7,4 nm (24,7 ML) und InSb 0,4 nm (1 ML). Der Gitterfehlpass, bestimmt aus dem Winkel zwischen nulltem Peak und GaSb-Pufferlage, beträgt 8,9 × 10⁻³ und 4,5 × 10⁻³ für MWIR und LWIR T2SLs. Abbildung 2 zeigt die asymmetrische (115) Reziprokraumkarte (RSM) für die gewachsenen T2SLs. In beiden Proben sind die Satelliten der Supergitter und der GaSb-Peak vertikal ausgerichtet (sie haben die gleiche Komponente des Streuvektors Q_x), was zu dem Schluss führt, dass beide T2SLs praktisch vollständig gespannt sind.

Asymmetrische 115 RSM von a MWIR und b LWIR InAs/GaSb T2SLs. Der Reziprokraumkarte für die asymmetrische Reflexion (115) von a MWIR und b LWIR InAs/GaSb T2SLs. Die Peaks in beiden Supergittern sind vertikal ausgerichtet (sie haben den gleichen Wert des Streuvektors Q_x). Daher sind die beiden Supergitter für MWIR und LWIR praktisch vollständig gespannt.

Die In-Ebene elektrischen Parameter der gewachsenen MWIR InAs/GaSb T2SLs sind in Abb. 3 dargestellt. Wie zu sehen, zeigt der unabsichtlich dotierte InAs/GaSb T2SL einen reproduzierbaren Leitfähigkeitstypwechsel. Trotz des Einflusses der GaSb-Pufferlage (p-Typ) auf Hall-Effekt-Messungen, sollte beachtet werden, dass der Wechsel des Leitfähigkeitstyps allein auf die T2SL-Lage zurückzuführen ist. Dieser Wechsel wurde auch von mehreren Gruppen berichtet. Der T2SL zeigt p-Typ-Leitung unterhalb der Temperatur, bei der der Wechsel erfolgt (T_ch) und n-Typ-Leitung oberhalb von T_ch. Wie zuvor erwähnt, zeigen InAs- und GaSb-Lagen n-Typ- bzw. p-Typ-Leitung. Daher wird der residuelle Hintergrund des InAs/GaSb T2SL mit ähnlicher Dicke der beiden Bestandteile durch Mehrheitsladungsträgerkompensation der binären Bestandteile des T2SL induziert. Für den Wert von T_ch berichteten Mohseni et al. 140 K, Christol et al. 190 K, während Khoshakhlagh et al. 200 K angaben. Das Verhalten der Flächenladungsträgerkonzentration und Mobilität wird durch die bekannten intrinsischen Phononenstreumechanismen (akustisch, piezoelektrisch, polar und unpolare optische) bestimmt. Ausnahmsweise steigt die Hall-Mobilität mit steigender Temperatur über T_ch (Abb. 3b); dies ist wahrscheinlich auf ionisierte Fallen aufgrund der InSb-Grenzfläche an der GaSb-auf-InAs-Grenzfläche zurückzuführen. T_ch Werte betragen 145, 195 und 225 K für T2SLs gewachsen bei 330, 390 und 400 °C (Abb. 3); dies ist wahrscheinlich auf hohe Lochkonzentration bei höherer Wachstumstemperatur zurückzuführen, die T_ch zu niedrigeren Temperaturen verschiebt. Die hohe Lochkonzentration resultiert aus Defekten und ionisierten Vacanzen bei hoher Wachstumstemperatur. Der bei 390 °C gewachsene InAs/GaSb T2SL zeichnet sich durch eine Trägerkonzentration von 1,8 × 10¹⁶ und 2,5 × 10¹⁶ cm⁻³ bei 80 und 300 K aus. Dieses Ergebnis ist besser als das von Mohseni et al. (Hall-Konzentration 1,5 bis 4 × 10¹⁷ cm⁻³) und praktisch identisch mit Christol et al. (Hall-Konzentration 1,6 × 10¹⁶ und 6 × 10¹⁶ cm⁻³ bei 100 und 300 K). Andererseits beträgt die Hall-Mobilität 1300 (p-Typ) und 3200 cm²/V s (n-Typ) bei 80 und 300 K. Die erreichte Mobilität ist viel höher als die von Christol et al., die 100 und 1800 cm²/V s bei 100 und 300 K erhielten.

a Hall-Konzentration und b Hall-Mobilität von MWIR InAs/GaSb T2SL gewachsen bei verschiedenen Temperaturen. Die elektrischen Parameter der MWIR InAs/GaSb T2SLs gewachsen bei verschiedenen Temperaturen. a Hall-Konzentration: die drei T2SLs zeigen einen Leitfähigkeitswechsel. Sie sind p-Typ bei niedrigen Temperaturen und n-Typ bei hohen Temperaturen. b Hall-Mobilität: es gibt zwei Bereiche für den Mobilitätstrend. Bei niedriger Temperatur nimmt die Mobilität aufgrund verschiedener Streumechanismen ab. Bei hohen Temperaturen steigt die Mobilität mit steigender Temperatur, was durch ionisierte Fallen in der InSb-ähnlichen Grenzfläche erklärt werden kann. Die Temperatur, bei der der Leitfähigkeitswechsel erfolgt, steigt mit steigender Wachstumstemperatur, was auf hohe Defektniveaus bei höheren Temperaturen zurückzuführen ist.

Der Widerstand der drei verschiedenen Proben ist in Abb. 4 dargestellt. Man bemerkt, dass Widerstand und Temperatur zwei gut definierte Steigungen haben. Für jede Probe können zwei thermische Aktivierungsenergien aus dem Arrhenius-Gesetz extrahiert werden. Für den n-Typ-Bereich beträgt die Aktivierungsenergie E_an 58, 72 und 68 meV für T2SLs gewachsen bei 330, 390 und 400 °C. Für den p-Typ-Bereich beträgt E_ap 7, 12 und 14 meV für InAs/GaSb T2SL abgeschieden bei 330, 390 und 400 °C. Für niedrige Temperaturen (unter T_ch) zeigt der T2SL p-Typ aufgrund von p-Typ-Trägern assoziiert mit E_ap, die Trägergenerierung und -rekombination dominieren. Für Temperaturen über T_ch zeigt der T2SL n-Typ-Leitung aufgrund der Aktivierung von Deep-Level-Trägern assoziiert mit hoher Aktivierungsenergie E_an. Die Quelle dieser Deep Levels sind die flachen Levels im Volumen-InAs, resultierend aus der Bandausrichtung zwischen InAs und InAs/GaSb T2SL, die als Deep Levels im InAs/GaSb T2SL wirken.

Hall-Widerstand des MWIR InAs/GaSb T2SL gewachsen bei a 330 °C, b 390 °C und c 400 °C. Der Hall-Widerstand des MWIR InAs/GaSb T2SL abgeschieden bei verschiedenen Wachstumstemperaturen. Für jedes Diagramm gibt es zwei gut definierte Steigungen. Aus dem Arrhenius-Gesetz können zwei thermische Energien extrahiert werden, was die Existenz von zwei Verunreinigungsniveaus bestätigt. Eines repräsentiert die n-Typ-Träger, das andere entspricht den p-Typ-Trägern. Das tiefe Verunreinigungsniveau assoziiert mit n-Typ-Trägern resultiert aus der Bandausrichtung zwischen InAs und InAs/GaSb T2SL.

Die Hall-Konzentration, Mobilität und Widerstand des LWIR InAs/GaSb T2SL sind in Abb. 5 dargestellt. Im Gegensatz zum MWIR T2SL gibt es keinen Leitfähigkeitstypwechsel bei dieser Probe. Dieser T2SL zeigt n-Typ-Leitung. Der Einfluss der p-Typ GaSb-Pufferlage (niedrig-mobilen Träger) auf die Hall-Effekt-Messung für diesen n-Typ T2SL (hoch-mobilen Träger) ist vernachlässigbar, da die Hall-Mobilität proportional zum Quadrat der Trägermobilität ist. Khoshakhlagh et al. berichteten das gleiche Ergebnis für 13 ML InAs/7 ML GaSb T2SL. Zusätzlich wiesen Szmulowicz et al. darauf hin, dass LWIR T2SL, in dem die InAs-Lage dicker ist als GaSb, tendenziell n-Typ ist. Diese n-Typ-Leitung ist auf die große Dicke der InAs-Lage (residuell n-dotiert) im Vergleich zu GaSb zurückzuführen. Diese n-Typ-Träger sind mit einer Aktivierungsenergie von 33 meV assoziiert (Abb. 5b). Das Verhalten der Hall-Konzentration und Mobilität ist typisch für n-Typ-Halbleiter, außer im Temperaturbereich unter 95 K, wo Trägerkonzentration und Mobilität fast temperaturunabhängig sind. Dies deutet auf die Existenz eines temperaturunabhängigen Streumechanismus in diesem Temperaturbereich hin. Dieser wird als Grenzflächenrauheits-Streuung (IRS) Mechanismus demonstriert. Dieser Mechanismus ist dominant bei niedrigen Temperaturen, wo Phononenstreuung eingefroren ist. IRS-Mechanismus resultiert aus der Existenz von Grenzflächen sowie der Variation der Lagendicken, was Variation der elektronischen Energieniveaus bewirkt; daher wirken sie als Quelle der Trägerstreuung. Zudem ist die Hall-Mobilität, dominiert vom IRS-Mechanismus, proportional zur sechsten Potenz der InAs-Dicke (\( \mu \propto {d}_{\mathrm{InAs}}^{6.2} \)).

a Hall-Konzentration, Hall-Mobilität und b Hall-Widerstand von unabsichtlich dotiertem LWIR InAs/GaSb T2SL. Die Transporteigenschaften des LWIR InAs/GaSb T2SL. a Hall-Konzentration und Mobilität: dieses Supergitter zeigt nur n-Typ-Leitung über den gesamten Temperaturbereich. Die Hall-Konzentration steigt mit steigender Temperatur durch Ionisationseffekte. Andererseits wird das Hall-Mobilitätsverhalten durch verschiedene Streumechanismen (Phononen und ionisierte Verunreinigungen) für Temperaturen über 95 K bestimmt. Für Temperaturen unter 95 K ist die Mobilität konstant (wie auch die Hall-Konzentration), was die Existenz eines weiteren temperaturunabhängigen Streumechanismus bestätigt. Dieser ist der Grenzflächenrauheitsmechanismus. b Hall-Widerstand: aus dem Arrhenius-Gesetz gibt es nur eine thermische Energie assoziiert mit einem Verunreinigungsniveau.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wurden InAs/GaSb T2SLs auf GaAs-Substrat mittels GaSb-Pufferlage basierend auf IMF-Technik gewachsen. Zudem wurden diese T2SLs für MWIR und LWIR Detektionsbereiche demonstriert. Es wurde gefunden, dass MWIR T2SL einen Wechsel des Leitungstyps von p- zu n-Typ zeigt, wenn die Temperatur steigt. Darüber hinaus steigt die Temperatur, bei der der Wechsel erfolgt, mit steigender Wachstumstemperatur der T2SLs. Dieser Leitfähigkeitstypwechsel wird der Existenz von zwei Verunreinigungsniveaus mit zwei unterschiedlichen Aktivierungsenergien zugeschrieben. Andererseits wird die LWIR InAs/GaSb T2SL-Leitung als n-Typ für den gesamten Temperaturbereich demonstriert. Zusätzlich zu den konventionellen Streumechanismen wird der IRS-Mechanismus als dominanter Streumechanismus bei niedrigen Temperaturen bewiesen. Diese Ergebnisse ermöglichen ein besseres Verständnis der physikalischen Eigenschaften des InAs/GaSb T2SL, was zur Verbesserung der IR-Photodetektor-Leistungen basierend auf diesem Material führt.

Abkürzungen

BT:

BandiT

FPAs:

Fokalebenen-Arrays

FWHM:

Vollbreite bei halber Maximale

HOT:

Hohe Betriebstemperatur

HRXRD:

Hochauflösende Röntgenbeugung

IMF:

Interfaciale Fehlpass-Array

IR:

Infrarot

IRS:

Grenzflächenrauheits-Streuung

LWIR:

Langwellen-Infrarot

MBE:

Molekularstrahlepitaxie

MWIR:

Mittelwellen-Infrarot

RHEED:

Reflexions-Hochenergie-Elektronenbeugung

RSM:

Reziprokraumkarte

T2SL:

Typ-II-Supergitter

TC:

Thermoelement