Pertumbuhan Epitaksial Film Tipis SrGe₂ Berkualitas Tinggi pada Substrat Ge melalui Deposisi Reaktif Epitaksial
Abstrak
Semikonduktor strontium digermanida (SrGe₂) menunjukkan koefisien absorpsi yang besar pada inframerah dekat, menjadikannya bahan yang menarik untuk sel surya multijuntion. Dalam studi ini kami melaporkan sintesis pertama film tipis SrGe₂ pada substrat Ge (100), (110), dan (111) menggunakan deposisi reaktif epitaksial (RDE). Kami menunjukkan bahwa morfologi film sangat sensitif terhadap suhu substrat (300–700 °C) dan orientasi kristalografi. Film SrGe₂ yang berorientasi tunggal diperoleh pada Ge(110) pada 500 °C, menawarkan jalan untuk mengintegrasikan SrGe₂ ke dalam perangkat fotovoltaik tipis film yang efisien.
Latar Belakang
Silisida tanah alkali telah lama menarik minat untuk aplikasi dalam sel surya, termoelektrik, dan optoelektronik [1–3]. Meskipun germanida kurang dieksplorasi, prediksi teoretika menunjukkan bahwa mereka memiliki karakteristik listrik dan optik yang menjanjikan [10–16]. SrGe₂, sebuah germanida tanah alkali representatif, kristal dalam struktur ortorombik tipe BaSi₂ (grup ruang: Pnma, no. 62, Z = 8) [12–16]. Ini adalah semikonduktor bandgap tidak langsung dengan jarak ~0,82 eV dan koefisien absorpsi 7,8 × 10⁵ cm⁻¹ pada 1,5 eV—lebih tinggi dari Ge (4,5 × 10⁵ cm⁻¹)—membuatnya ideal untuk sel bawah arsitektur tandem. Pembuatan film tipis pada substrat sembarang dapat mengaktifkan sel surya tandem yang efisien dan berbiaya rendah.
Pekerjaan kami sebelumnya berhasil menghasilkan film tipis BaSi₂ berkualitas tinggi pada Si (111) dan Si (001) melalui metode dua tahap: deposisi reaktif epitaksial (RDE) diikuti oleh deposisi epitaksial aliran molekuler (MBE) [17–20]. Film tipis BaSi₂ yang berorientasi (100) yang dihasilkan menunjukkan umur pembawa minor yang panjang dan panjang difusi yang besar, yang mengarah pada efisiensi konversi 9,9 % dalam sel surya heterojungsi p‑BaSi₂/n‑Si—efisiensi tertinggi yang pernah dilaporkan untuk semikonduktor silisida [23]. Tergerak oleh prestasi ini dan struktur kristal yang analog SrGe₂, kami menerapkan pendekatan RDE/MBE untuk SrGe₂ pada substrat Ge.
Eksperimen
Sistem deposisi epitaksial aliran molekuler (MBE) (tekanan dasar 5 × 10⁻⁷ Pa) yang dilengkapi dengan sel Knudsen standar untuk Sr dan sumber evaporasi elektron‑beam untuk Si digunakan. Sr disetor pada substrat Ge (100), (110), dan (111) pada suhu substrat (T_sub) yang bervariasi dari 300 hingga 700 °C. Sebelum deposisi, wafers Ge dibersihkan dengan larutan HF 1,5 % selama 2 menit diikuti oleh larutan HCl 7 % selama 5 menit. Parameter deposisi: 0,7 nm min⁻¹ selama 120 menit pada Ge(001), 1,4 nm min⁻¹ selama 30 menit pada Ge(011), dan 1,3 nm min⁻¹ selama 60 menit pada Ge(111). Setelah deposisi Sr, lapisan penutup Si amorfa 5 nm disetor pada suhu kamar untuk melindungi permukaan Sr–Reaktif Ge dari oksidasi. Kristalin film dievaluasi melalui difraksi elektron energi tinggi pantulan (RHEED) dan diffraksi X‑ray (XRD; Rigaku Smart Lab, radiasi Cu K_α). Morfologi permukaan diperiksa melalui mikroskopi elektron penyemaran (SEM; Hitachi SU‑8020) dan mikroskopi elektron transmisi (TEM; FEI Tecnai Osiris, 200 kV) yang dilengkapi dengan spektroskopi X‑ray dispersif energi (EDX) dan STEM lapangan gelap sudut tinggi (HAADF‑STEM) (diameter sondas ~1 nm).
Hasil dan Diskusi
Gambar 1 menampilkan pola RHEED dan θ–2θ XRD untuk semua sampel setelah deposisi Sr. Pola RHEED bergaris atau bercak mengonfirmasi pertumbuhan epitaksial senyawa Sr–Ge. Untuk substrat Ge(100), puncak Sr₅Ge₃ muncul pada semua suhu, sementara SrGe hanya muncul pada 600–700 °C. SrGe₂ hanya terdeteksi pada 300 °C, menghasilkan SrGe₂ yang berorientasi preferensial [100] dan Sr₅Ge₃ yang berorientasi [220]. Suhu yang lebih tinggi meningkatkan sinyal substrat Ge(200), yang menunjukkan cakupan Sr–Ge yang meningkat (Gambar 2).
Pada Ge(110), hanya puncak SrGe₂ (411) dan substrat yang terlihat dari 300–600 °C. Sampel 500 °C menunjukkan intensitas SrGe₂ (411) yang paling kuat, yang menunjukkan film SrGe₂ yang sangat terarah, satu komposisi. Substrat Ge(111) menghasilkan puncak SrGe₂ pada semua suhu: SrGe₂ yang berorientasi [110] pada 300, 400, 500, dan 700 °C, dengan puncak lebar pada 300 dan 400 °C; SrGe₂ yang berorientasi multi pada 500 dan 600 °C; dan Sr₅Ge₃ (220) minor pada 400, 500, dan 700 °C. Morfologi ini mencerminkan interaksi antara energi permukaan substrat dan keseimbangan flux Sr/Ge [24].
Pola RHEED dan θ–2θ XRD dari sampel setelah deposisi Sr. Orientasi kristal substrat Ge adalah a–e (100), f–j (110), dan k–o (111). T_sub bervariasi dari 300 hingga 700 °C untuk setiap substrat. Puncak yang sesuai dengan SrGe₂ disorot dalam merah.
Citra SEM dari sampel setelah deposisi Sr. Orientasi kristal substrat Ge adalah a–e (100), f–j (110), dan k–o (111). T_sub bervariasi dari 300 hingga 700 °C untuk setiap substrat. Panah menunjukkan arah kristal substrat Ge.
Gambar 2 mengungkapkan bahwa pada 300 °C, permukaan sebagian besar tertutupi oleh senyawa Sr–Ge. Pada 400–600 °C, pola yang mencerminkan simetri substrat muncul: dua lipat untuk Ge(100), satu lipat untuk Ge(110), dan tiga lipat untuk Ge(111). Simetri ini adalah karakteristik dari pertumbuhan epitaksial Sr–Ge pada substrat Si [1, 25] dan mengkoreborasi pengamatan RHEED. Pada 700 °C, pola seperti titik menunjukkan migrasi atau penguapan Sr yang cepat karena suhu tinggi. Hasil ini menjelaskan pola RHEED bergaris atau bercak dalam Gambar 1.
Kami memeriksa sampel Ge(110) yang tumbuh pada 500 °C secara detail. Lapisan penutup Si amorfa 100 nm melindungi film dari oksidasi. HAADF‑STEM (Gambar 3a) dan pemetaan EDX (Gambar 3b) mengonfirmasi bahwa senyawa Sr–Ge mencakup hampir seluruh permukaan. Citra HAADF‑STEM diperbesar (Gambar 3c) menunjukkan bahwa lapisan Sr–Ge menembus substrat Ge, ciri khas pertumbuhan RDE [17, 18]. Skor komposisi garis (Gambar 3d) menunjukkan rasio Sr:Ge 1:2, mengonfirmasi pembentukan SrGe₂. Observasi ini mengkoreborasi data XRD dan RHEED.
Karakterisasi HAADF‑STEM dan EDX dari film tipis SrGe₂ yang tumbuh pada substrat Ge(110) pada 500 °C. a Citra HAADF‑STEM. b Peta elemen EDX dari wilayah yang ditampilkan pada panel a. c Citra HAADF‑STEM diperbesar. d Profil komposisi elemen yang diperoleh oleh skan garis STEM‑EDX sepanjang panah pada panel (c).
Citra TEM bright‑field dan dark‑field (Gambar 4a–c) menunjukkan bahwa SrGe₂ terarah epitaksial dengan substrat Ge tetapi menunjukkan dua orientasi di bidang datar. Citra lattice (Gambar 4d) menunjukkan dua domain SrGe₂ (A dan B) yang dipisahkan oleh batang butir. Pola SAED (Gambar 4e) mengonfirmasi koeksistensi kedua domain, masing-masing dengan bidang Ge(111) sejajar dengan bidang SrGe₂ (220). Tidak ada dislokasi atau kesalahan tumpukan yang diamati di luar batang butir, yang menunjukkan kualitas kristal yang tinggi. Jadi, pertumbuhan RDE pada Ge(110) menghasilkan film SrGe₂ yang bebas cacat.
Karakterisasi TEM dari film tipis SrGe₂ yang tumbuh pada substrat Ge(110) pada 500 °C. a Citra TEM bright‑field. b, c Citra TEM dark‑field menggunakan refleksi bidang SrGe₂ {220} yang ditampilkan dalam setiap pola difraksi. d Citra lattice resolusi tinggi yang menunjukkan kristal SrGe₂. e Pola SAED yang menunjukkan zona axis SrGe₂ 〈113
Kesimpulan
Kami berhasil memproduksi film tipis SrGe₂ pada substrat Ge menggunakan deposisi reaktif epitaksial. Morfologi film sangat bergantung pada suhu substrat dan orientasi kristalografi. Sementara Ge(100) dan Ge(111) menghasilkan SrGe₂ yang berorientasi multi atau fase Sr–Ge sekunder, Ge(110) menghasilkan film SrGe₂ yang berorientasi tunggal dan bebas cacat pada 500 °C. Analisis TEM mengonfirmasi tidak ada dislokasi antarmuka, menekankan kualitas kristal yang tinggi dari film. Pekerjaan yang sedang berjalan difokuskan pada karakterisasi properti listrik dan optik serta perluasan pendekatan ke substrat Si dan kaca untuk incorporasi ke dalam lapisan penyerap inframerah dekat sel surya multijuntion.
Singkatan
EDX:
Spektrometer X‑ray dispersif energi
HAADF‑STEM:
Mikroskopi transmisi elektron scanning lapangan gelap sudut tinggi
