Rekayasa Tipis Film GeBi tipe-n oleh Epitaksi Rangka Molekuler: Kontrol Kristal dan Kinerja Optik Infra Merah/THz

Latar Belakang

Ekspansi multiplexing panjang gelombang padat (DWDM) ke band L (1,56–1,62 µm) menuntut detektor optoelektronik yang dapat beroperasi di seluruh rentang 1,44–1,93 µm. Legium berbasis Ge yang ada seperti GeSi dan GeSn telah mencapai panjang gelombang pemotongan hingga 1,6 µm, menyisakan hambatan 2 µm untuk aplikasi dalam penginderaan inframerah tengah dan komunikasi bebas kabel.

GeBi menawarkan alternatif yang menarik: dengan mengleging Bi ke dalam jaring Ge, jarak band dapat dirancang menuju panjang gelombang yang lebih lama sambil mempertahankan konduktivitas tipe-n. Pekerjaan sebelumnya pada GeSn dan GeBi telah menunjukkan potensi untuk detektor berkinerja tinggi dalam rentang 1,3–1,6 µm, namun panjang gelombang pemotongan masih terbatas. Studi ini menunjukkan bahwa film GeBi yang tumbuh melalui MBE dapat mencapai pemotongan 2,3 µm, secara efektif menutupi kesenjangan antara deteksi band C dan band L.

Prosedur Eksperimen

Film GeBi di-deposit pada wafel Si tipe-p (100) menggunakan kamera MBE khusus yang dioperasikan pada tekanan dasar 4 × 10⁻⁹ hingga 5 × 10⁻¹⁰ Torr. Ge dan Bi berasal dari sel eflusi yang dipanaskan pada 1200 °C dan 400–550 °C, masing-masing, untuk mencapai rasio flux yang terkontrol. Suhu substrat dipertahankan pada 150 °C, menghasilkan laju pertumbuhan antara 1,66 dan 2,50 nm menit⁻¹. Parameter pertumbuhan rinci ditampilkan dalam Tabel 1.

Karakterisasi struktural menggunakan XRD insiden sudut kecil, SEM (JMS6490LV, JEOL), AFM (300 HV, SEIKO), dan spektroskopi Raman (LabRAM HR, Edinburgh Instruments). Serapan dan transmisi optik diukur dengan spektrometer Lambda 75 UV/VIS/NIR dan spektrometer far-infrared transformasi Fourier. Transmisi THz diperoleh melalui spektroskopi domain waktu THz (THz-TDS).

Hasil dan Pembahasan

Analisis XRD
Gambar 1 menunjukkan bahwa semua sampel menunjukkan puncak difraksi GeBi yang jelas. Pada Bi rendah (x = 0,020), film terorientasi pada (014). Seiring dengan meningkatnya Bi ke x = 0,102, puncak (104) berkurang sementara puncak (012) muncul. Untuk x ≥ 0,183, orientasi (012) mendominasi, yang menunjukkan reorientasi yang diinduksi regangan karena konstanta jaringan Bi yang lebih besar.

Pola XRD film Ge_1‑xBi_x dengan kandungan Bi dari 2 % hingga 22,2 %.

Morfologi SEM
Gambar 2 menggambarkan evolusi permukaan. Pada 2 % Bi, film halus (Gambar 2a). Pada 10,2 % Bi, titik kaya Bi terisolasi (33–42 nm) muncul (Gambar 2b). Di luar 18,3 % Bi, fasa sekunder (Bi amorf, Ge) coexist dengan fasa GeBi primer, dan ukuran butir mencapai hingga ~1 µm (Gambar 2c,d). Bi berlebih di luar batas larutannya segregasi di batas butir, menciptakan kekasaran permukaan.

Gambar SEM film GeBi: (a) 2 %; (b) 10,2 %; (c) 18,3 %; (d) 20,3 %.

Kekerasan Permukaan AFM
Gambar 3 menunjukkan topografi AFM. Kekerasan root-mean-square (RMS) meningkat tajam seiring dengan Bi, mencapai ~15 nm pada 20,3 % Bi. Peningkatan kekerasan selaras dengan segregasi Bi yang diamati dalam SEM.

Gambar AFM film GeBi: (a) 2 %; (b) 10,2 %; (c) 18,3 %; (d) 20,3 %.

Spektroskopi Raman
Gambar 4 menampilkan mode getaran Ge-Bi di sekitar 190 cm⁻¹. Seiring dengan meningkatnya Bi, puncak memperkuat dan bergeser ke nomor gelombang yang lebih tinggi, yang menunjukkan amplifikasi regangan jaringan dan integrasi Bi yang berhasil.

Spektrum Raman film GeBi dengan berbagai kandungan Bi.

Sifat Optik Infra Merah Dekat
Gambar 5a menunjukkan bahwa refleksi menurun di seluruh 1014–2500 nm seiring dengan meningkatnya Bi, yang menyiratkan serap yang lebih tinggi. Lembah serap pada 1932–1938 nm (jarak band tidak langsung) berkurang dan menghilang untuk Bi > 20 %. Serap band langsung sekitar 1446–1452 nm juga melemah dengan Bi tinggi. Gambar 5b menunjukkan infleksi transmisi di sekitar 1020 nm, yang diatribusikan pada tepi band substrat Si. Secara keseluruhan, Bi yang lebih tinggi mengurangi refleksi dan menyesuaikan transmisi di band NIR, meningkatkan tanggung jawab detektor.

Spektrum refleksi (a) dan transmisi (b) film GeBi di seluruh band NIR.

Respons Infra Merah Jauh dan THz
Gambar 6a dan 6b mengungkapkan jendela serap stabil antara 4–15 µm, sementara Gambar 6c menunjukkan bahwa serap meningkat dari 9,3 % menjadi 22,6 % seiring dengan meningkatnya Bi dari 2 % hingga 10,2 %. Di luar 10 % Bi, serap mencapai puncak di sekitar 1–7,5 µm dan menurun pada panjang gelombang yang lebih panjang, yang mencerminkan kekasaran permukaan dan pembentukan fasa Bi. Transmisi THz (Gambar 7) menurun ~10 % saat Bi meningkat dari 2 % hingga 10,2 %, tetapi pulih sedikit pada 18,3–22,2 % Bi, yang menunjukkan serapan THz yang dapat disesuaikan yang dapat dimanfaatkan untuk modulator.

Spektrum transmisi (a), refleksi (b), dan serap (c) film GeBi di band far-IR.

Spektrum transmisi THz film GeBi dengan berbagai kandungan Bi.

Kesimpulan

Kami berhasil menumbuhkan tipis film Ge_1‑xBi_x tipe-n (x = 0–0,222) pada substrat Si(100) tipe-p melalui MBE suhu rendah. XRD dan SEM mengonfirmasi bahwa integrasi Bi menentukan orientasi kristalografis dan mikrostruktur, sementara AFM dan Raman menunjukkan modulasi regangan jaringan. Studi optik menunjukkan bahwa doping Bi yang moderate menurunkan refleksi NIR, memperpanjang pemotongan hingga 2,3 µm, dan menyesuaikan transmisi THz, menempatkan GeBi sebagai kandidat kuat untuk detektor inframerah lebar band dan modulator THz.

Singkatan

AFM:

Mikroskopi Gaya Atom

MBE:

Epitaksi Rangka Molekuler

SEM:

Mikroskopi Elektron Pemindaian

THz:

Terahertz

XRD:

Difraksi Sinar X