Preparasi dan Sifat Optik Film GeBi dengan Menggunakan Metode Molecular Beam Epitoxy
Abstrak
Paduan berbasis Ge telah menarik minat besar sebagai bahan yang menjanjikan untuk kinerja fotolistrik inframerah yang terlihat superior. Dalam penelitian ini, kami melaporkan preparasi dan sifat optik germanium-bismut (Ge1-x Bix ) film tipis dengan menggunakan molekuler beam epitaksi (MBE). Film tipis GeBi termasuk dalam semikonduktor konduktivitas tipe-n, yang jarang dilaporkan. Dengan meningkatnya konten Bi-doping dari 2 menjadi 22,2%, serangkaian Ge1-x Bix sampel film tipis diperoleh dan dikarakterisasi dengan difraksi sinar-X, pemindaian mikroskop elektron, dan mikroskop gaya atom. Dengan peningkatan konten Bi, ketidakcocokan konstanta kisi meningkat, dan film GeBi bergeser dari celah pita energi langsung ke celah pita tidak langsung. Peningkatan moderat konten Bi mengurangi reflektansi optik dan meningkatkan transmisi koefisien kepunahan dalam panjang gelombang inframerah. Penyerapan dan transmisi film GeBi dalam pita THz meningkat dengan meningkatnya konten Bi.
Latar Belakang
Di bidang komunikasi optik, panjang gelombang optik dalam teknologi multiplexing divisi panjang gelombang padat telah diperpanjang dari C-band (1,53–1,56 μm) hingga L-band (1,56–1,62 μm) saat ini. Jadi panjang gelombang detektor optoelektronik harus mencakup C-band dan L-band. Namun, karena aplikasi yang muncul di inframerah-tengah, panjang gelombang pemutusan respons detektor harus lebih panjang dari 2 m. Penting untuk menyiapkan detektor fotolistrik semikonduktor pada pita gelombang inframerah-dekat dan inframerah-jauh dengan panjang gelombang dalam kisaran 2–10-μm [1,2,3,4].
Sejauh ini, paduan berbasis Ge terbukti menjadi bahan yang menjanjikan untuk detektor optoelektronik inframerah. Pada tahun 1984, AT&T.Bell Laboratories menyiapkan perangkat GeSi film n-i-p dengan metode molekul epitaksi (MBE), dan panjang gelombang kerja adalah 1,45 μm [5, 6]. Pada tahun 2010, Universitas Stuttgart menyiapkan film GeSn dengan kandungan Sn 0,5–3% menggunakan suhu pertumbuhan rendah dan detektor pin dengan panjang gelombang operasi 1,2–1,6 m [7,8,9,10]. Pada tahun 2011, akademisi Wang Qiming dari Chinese Academy of Sciences menyiapkan paduan GeSn dengan kandungan 1,0-3,5% Sn dan kemudian berhasil menyiapkan detektor pin dengan panjang gelombang kerja dalam kisaran 1,3-1,6-μm [11,12,13]. Pada tahun 2014, M. Oehme mengembangkan beberapa fotodetektor sumur kuantum GeSn/Ge dengan struktur vertikal, dan frekuensi pin cut-off di atas 1,6 μm [14]. Pada tahun 2015, S. Wirths berhasil membuat film GeSn dengan direct band-gaps dan menyiapkan detektor film GeSn dengan panjang gelombang 1,5 m [15]. K. Toko menyiapkan perangkat optoelektronik dengan panjang gelombang 1,2–1,6μm pada substrat fleksibel dengan teknologi RF magnetron sputtering [16]. Namun, panjang gelombang pemutusan detektor inframerah semikonduktor GeSi dan GeSn masih lebih pendek dari 2,0 m, dan panjang gelombang aplikasi tidak dapat mencakup seluruh pita-C dan pita-L. Menemukan bahan baru yang memiliki panjang gelombang yang lebih panjang akan berguna untuk memecahkan masalah ini.
Di sini, kami melaporkan preparasi dan sifat optik film tipis semikonduktor GeBi tipe-n dengan panjang gelombang cut-off yang lebih panjang dengan menggunakan metode MBE. Frekuensi cut-off adalah 2,3 μm, dan panjang gelombang untuk aplikasi berada dalam kisaran 1,44 hingga 1,93 μm, yang mencakup C-band dan L-band. Dalam penelitian ini, pengaruh paduan Bi terhadap sifat inframerah dan terahertz (THz) Ge1 − x Bix film diselidiki secara rinci.
Prosedur Eksperimental
Film GeBi ditumbuhkan menggunakan metode MBE dengan tekanan vakum berkisar antara 4 × 10
−9
hingga 5 × 10
−10
Torr. Atom Ge dan atom Bi dikeluarkan dari sumber Ge (1200 °C) dan sumber Bi (400–550 °C), masing-masing, yang tiba di (100) permukaan substrat wafer kristal tunggal Si tipe-p, dan membentuk film akhirnya. Suhu substrat adalah 150 °C, dan laju pertumbuhan berkisar antara 1,66 hingga 2,50 nm/menit. Parameter pertumbuhan mendetail dari film GeBi dirangkum dalam Tabel 1.
Pembentukan fasa film GeBi dicirikan oleh peristiwa grazing difraksi sinar-X (XRD). Morfologi film GeBi dianalisis dengan mikroskop elektron pemindaian (SEM; JMS6490LV, JEOL, Tokyo, Jepang). Kekasaran sampel diuji dengan mikroskop gaya atom (AFM, 300 HV, SEIKO, Jepang). Spektroskopi Raman diuji dengan spektrometer Raman (LabRAM HR, Edison, NJ, USA). Sifat inframerah dekat dan inframerah jauh dari film GeBi diukur dengan spektrometer optik (Lambda 75UV/VIS/NIR) dan spektrometer inframerah jauh. Sifat transmisi gelombang THz diukur dengan spektroskopi domain waktu THz.
Hasil dan Diskusi
Gambar 1 menunjukkan pola XRD dari Ge1 − x . yang telah disiapkan Bix film. Dapat dilihat bahwa puncak difraksi karakteristik yang dapat dikaitkan dengan paduan GeBi dapat ditemukan di semua sampel pertumbuhan MBE. Gambar 1 menunjukkan hasil XRD Ge1 − x Bix film yang ditumbuhkan oleh MBE tanpa perlakuan termal. Semua sampel menunjukkan puncak difraksi film GeBi, sedangkan sifat kristalin sampel bervariasi ketika kandungan Bi (x ) berubah dari 0,020 menjadi 0,222. Saat konten Bi rendah (x = 0.020), Ge0.980 Bi0,02 film ditemukan berorientasi sepanjang (014), lihat Gbr. 1. Dengan konten Bi meningkat menjadi x = 0.102, di samping puncak (104) yang terletak di sekitar 2θ = 38.2
o
, puncak (012) film GeBi yang terletak di sekitar 2θ = 27.2
o
mulai muncul. Dengan meningkatnya konten Bi (x ) dari 0,183 menjadi 0,222, intensitas puncak (012) meningkat drastis sedangkan puncak (104) hampir menghilang. Ini menunjukkan Ge1 − x Bix film dengan kandungan Bi yang lebih tinggi lebih disukai diorientasikan sepanjang arah (012) daripada arah (104). Kandungan Bi yang berbeda mempengaruhi struktur mikro film. Untuk film GeBi dengan konten Bi yang berbeda, mengubah parameter pertumbuhan dapat mempengaruhi orientasi pertumbuhan yang disukai. Kami berspekulasi bahwa karena titik leleh atom Bi yang rendah, atom Bi membentuk gugus dengan atom Ge, masuk ke dalam kisi kristal, dan membentuk sel Ge-Bi. Hasil XRD menunjukkan bahwa film GeBi berhasil disiapkan dengan metode MBE dan sifat kristalnya dapat dimanipulasi dengan mengubah konten Bi di Ge1 − x Bix film.
Pola XRD Ge1 − x Bix film film GeBi dengan konten Bi yang berbeda mulai dari x = 0,020 hingga x = 0.222
Gambar SEM khas Ge1 − x Bix sampel film disajikan pada Gambar. 2. Saat konten Bi adalah 2,0% (x = 0.02), film GeBi tumbuh dengan baik dan permukaannya ditemukan sangat halus, lihat Gbr. 2a. Ketika konten Bi meningkat menjadi 10,2%, ada beberapa titik kecil di media homogen, yang merupakan ekspresi dari proses pembentukan awal fase baru, lihat Gambar 2b. Karena prinsip energi terendah, atom Bi superfisial dipisahkan dan dikumpulkan menjadi kelompok-kelompok (ukuran 33–42 nm). Ketika konten Bi mencapai lebih dari 18,3%, setidaknya ada tiga fase dalam film, seperti GeBi, Bi amorf, dan Ge, lihat Gbr. 2c, d. Ukuran butir film GeBi sangat besar, hingga sekitar 1000 nm. Partikel Bi dan Ge yang terpisah, dengan ukuran butir kecil dalam kisaran 30,7 hingga 118,0 nm, ditemukan di antara batas kristal butir GeBi. Kami menemukan bahwa, ketika kandungan Bi melebihi kelarutan padat dalam paduan GeBi, atom Bi yang berlebihan akan diendapkan dan membentuk fase Bi pada batas butir besar di bawah suhu rendah. Beberapa atom Ge, yang tidak dapat bereaksi dengan atom Bi karena pembatasan suhu rendah, juga membentuk fase Ge pada batas butir yang besar. Namun demikian, peningkatan konten Bi dapat mendorong pertumbuhan butir GeBi yang disukai, dan ukuran butir berubah dari 42 menjadi 100 nm, lihat Gambar 2b, d.
Pola SEM khas film GeBi dengan konten Bi berbeda:a 2,0%; b 10,2%; c 18,3%; dan d 20,3%
Gambar 3 menunjukkan gambar AFM khas Ge1 − x Bix film dengan berbagai kandungan Bi, serta nilai Ra dan nilai RMS dirangkum dalam Tabel 2. Dengan meningkatnya konten Bi, nilai Ra dan nilai RMS meningkat secara drastis, yang menunjukkan kekasaran permukaan Ge1 − x Bix film meningkat. Sementara itu, terdapat beberapa puncak yang tidak beraturan pada Gambar 3b-d karena ukuran butir yang heterogen dan butir yang kecil pada batas butir. Ketika kandungan Bi berlebihan, jumlah atom Bi yang diganti dengan atom Ge terbatas karena pembatasan kelarutan padat Bi dalam paduan GeBi. Atom Bi supernumerary yang disimpan pada film membuat film menjadi kasar dan memiliki pengaruh besar pada struktur mikro film GeBi, yang konsisten dengan hasil SEM.
Hasil uji AFM film GeBi dengan konten Bi berbeda:a 2,0%; b 10,2%; c 18,3%; dan d 20,3%
Gambar 4 menunjukkan spektrum Raman suhu kamar dari Ge1 − x . yang tumbuh saat dewasa Bix film dengan konten Bi berbeda yang disiapkan oleh MBE. Serangkaian puncak yang terletak sekitar 190 cm
−1
dapat dikaitkan dengan mode getaran Ge-Bi. Dengan meningkatnya konten Bi, puncak Ge-Bi menjadi lebih kuat dan bergeser ke bilangan gelombang yang lebih tinggi (cm
−1
). Pergeseran ke bilangan gelombang yang lebih tinggi menunjukkan bahwa, dengan peningkatan konten Bi, tingkat ketidaksesuaian konstanta kisi film dan regangan kisi dalam film GeBi meningkat. Dapat disimpulkan bahwa doping Bi adalah cara yang efektif untuk menyetel regangan kisi Ge1 − x Bix film tipis paduan.
Spektrum Raman dari film GeBi dengan konten Bi yang berbeda
Gambar 5 menunjukkan properti inframerah-dekat dari film GeBi dengan konten Bi yang berbeda. Perilaku penyerapan film diperoleh dari reflektifitas dan sifat transmisi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a, dengan meningkatnya konten Bi, reflektansi film GeBi berkurang dalam kisaran 1014-2500 nm, yang menunjukkan bahwa penyerapan film meningkat. Lembah dalam kisaran 1932–1938 nm dapat dikaitkan dengan penyerapan celah pita tidak langsung dari film GeBi. Dan kedalaman lembah penyerap energi berkurang dengan meningkatnya kandungan Bi. Ketika kandungan Bi lebih dari 20%, lembah menghilang pada kisaran 1932–1938 nm. Celah pita langsung dari film GeBi berada di kisaran 1446–1452 nm; kedalaman lembah penyerap energi juga berkurang dengan meningkatnya kandungan Bi. Ketika kandungan Bi di atas 20,3%, lembah menghilang dalam kisaran 1446–1452 nm. Kesimpulannya, peningkatan konten Bi mengurangi reflektansi film GeBi, meningkatkan koefisien pemadaman, dan akhirnya membuat amplitudo yang dipantulkan berkurang. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 5b, ada titik belok sekitar 1020 nm (1,22 eV), yang dikaitkan dengan celah pita terlarang Si pada 1,12 eV. Ketika panjang gelombang lebih kecil dari nilai titik belok, transmitansi film GeBi dan substrat Si kecil. Dalam kisaran 1020-2500-nm, transmitansi meningkat dengan meningkatnya panjang gelombang. Namun, ketika kandungan Bi meningkat dari 18,3 menjadi 22,2%, transmitansinya berkurang. Dalam kisaran 800-1600-nm, perubahan indeks bias yang luar biasa, koefisien kepunahan, dan kandungan Bi yang berlebihan berpengaruh pada penyerapan film [17, 18].
Spektrum pantulan (a ) dan spektrum transmisi (b ) dari film GeBi dengan konten Bi yang berbeda dalam pita gelombang inframerah-dekat
Gambar 6 menunjukkan properti film GeBi dengan berbagai konten Bi dalam pita gelombang inframerah-jauh. Ada jendela penyerapan yang tinggi dan stabil untuk film GeBi di pita gelombang 4-15 m, lihat Gambar 6a, b. Karena prinsip pemantulan dan transmisi berbeda, kami tidak dapat secara langsung mendapatkan penyerapan film GeBi dari Gambar 6a, b. Kami menganalisis hasil refraksi dan eksperimen dari koefisien kepunahan film Ge di pita gelombang 1–25 m [17], mempertimbangkan efek konten Bi pada film Ge, dan mendapatkan spektrum serapan film GeBi di jarak jauh. pita inframerah akhirnya, lihat Gbr. 6c. Dengan meningkatnya kandungan Bi dari 2 menjadi 10,2%, penyerapan meningkat dari 9,3 menjadi 22,6% dalam kisaran 1 hingga 25 μm. Penyerapan memiliki kecenderungan yang sama dengan semakin meningkatkan kandungan Bi. Namun, ketika konten Bi meningkat, penyerapan Ge1 − x Bix film tipis meningkat dalam kisaran 1,0 hingga 7,5 m dan kemudian menurun dalam kisaran 7,5–25 m. Kandungan Bi di atas 10% mengakibatkan atom Bi terdeposit dalam film GeBi, kekasaran permukaan meningkat, kemudian penyerapannya berkurang. Gambar 7 menunjukkan transmisi THz sebagai fungsi frekuensi untuk film GeBi dengan konten Bi yang berbeda. Ketika konten Bi meningkat dari 2 menjadi 10,2%, transmisi menurun 10%. Transmisi sedikit meningkat dengan konten Bi meningkat dari 18,3 menjadi 22,2%. Pengukuran transmisi menunjukkan bahwa sifat THz dari Ge1 − x Bix film tipis dapat disetel dengan memvariasikan konten Bi, yang sangat penting untuk aplikasi seperti modulator gelombang THz [19].
Spektrum transmisi (a ), spektrum reflektansi (b ), dan spektrum serapan (c ) dari film GeBi dengan konten Bi yang berbeda dalam pita gelombang inframerah-jauh
Spektrum transmisi THz dari film GeBi dengan konten Bi yang berbeda
Kesimpulan
Singkatnya, Ge1 − x Bix film dengan pecahan Bi x = 0 hingga 0,222 berhasil ditumbuhkan pada substrat p-Si (100) dengan menggunakan MBE suhu rendah. Hasil XRD dan SEM menunjukkan bahwa sifat kristal dan morfologinya dapat dimanipulasi dengan mengubah kandungan Bi dalam Ge1 − x Bix film. Pengaruh konten Bi pada sifat optik termasuk kinerja inframerah dan THz Ge1 − x Bix film diselidiki secara sistematis. Peningkatan moderat kandungan Bi mengurangi reflektansi dan memvariasikan transmitansi dalam panjang gelombang inframerah. Transmisi film GeBi di pita THz menurun dengan peningkatan moderat konten Bi. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa MBE Ge1 − x Bix film adalah bahan yang menjanjikan untuk aplikasi inframerah dan THz.
