Pemetaan Distribusi Bismuth dalam Heterostruktur GaAsBi/GaAs Menggunakan HAADF-STEM Koreksi Aberasi

Abstrak

Menggunakan STEM HAADF yang dikoreksi aberasi, kami memeriksa distribusi Bismuth (Bi) dalam heterostruktur GaAs/GaAs₁₋ₓBiₓ/GaAs yang ditumbuhkan MBE pada suhu substrat dekat 340 °C. Citra HAADF perbesaran rendah, yang dikonfirmasi oleh analisis EDX, mengungkapkan lapisan bebas cacat tetapi konsentrasi Bi yang tidak seragam di antarmuka dan dalam lapisan GaAsBi. Analisis qHAADF perbesaran tinggi mengonfirmasi segregasi Bi pada fluks Bi rendah dan munculnya struktur dumbbell yang terdistorsi di mana konten Bi tinggi. Ketika fluks Bi ditingkatkan, pertumpukan Bi tumbuh menjadi partikel equiaksial ≈ 10–12 nm yang berfacet di sepanjang bidang {111} zinc-blende, yang tersebar seragam dalam matriks dan di antarmuka. Analisis FFT mendeteksi koesistensi rh-Bi (rhombohedral Bi) yang tersemat dalam matriks GaAs₁₋ₓBiₓ zinc-blende. Kluster ini secara lokal merelaksasi jaringan, sesuai dengan pengukuran XRD.

Latar Belakang

Semikonduktor GaAsBi telah menarik perhatian untuk perangkat inframerah tengah yang stabil suhu [1]. Integrasi jumlah kecil Bi ke dalam jaringan GaAs mengurangi jarak energi secara dramatis, sebuah efek optoelektronik kunci [2, 3]. Namun, ikatan Ga–Bi yang lemah, celah misibilitas yang besar, dan ketidakcocokan jaringan membuat integrasi Bi sulit, memerlukan kondisi pertumbuhan non-equilibrium untuk mencapai integrasi yang efisien. Bahkan saat berhasil, Bi sering segregasi menjadi kluster atau titik, yang menciptakan pusat rekombinasi non-radiatif yang mengurangi kinerja perangkat. Kecenderungan pemisahan fase, titik permukaan, pengurutan atom, dan titik nano telah didokumentasikan oleh spektroskopi absorpsi X-ray (XAS), mikroskopi gaya atom, dan XRD [11–13]. Studi resonansi spin elektron (ESR) menunjukkan bahwa sekitar 10 % Bi yang diintegrasi menempati situs Ga [14]. Oleh karena itu, pemahaman yang mendalam tentang integrasi Bi dan pembentukan cacat sangat penting untuk optimasi perangkat. Alat karakterisasi canggih, terutama HAADF-STEM yang dikoreksi aberasi, memungkinkan citra sub-angstrom dari leger encer, di mana intensitas berskala dengan nomor atom rata-rata (Z) [15–18]. Analisis qHAADF lebih lanjut mengkaitkan intensitas HAADF dengan komposisi kolom atom dalam leger III–V [12, 16, 18], sementara citra resolusi tinggi mengungkapkan kualitas kristal [19–22].

Penelitian ini menggunakan HAADF-STEM yang dikoreksi aberasi dan EDX komplementer untuk menyelidiki distribusi Bi dalam heterostruktur GaAs/GaAs₁₋ₓBiₓ/GaAs yang ditumbuhkan oleh MBE pada ~340 °C. Kami juga memeriksa dampak segregasi Bi pada struktur skala nano dan mikro, menggunakan qHAADF, analisis FFT, dan XRD.

Metode

Dua heterostruktur dibuat oleh solid-source MBE pada wafel GaAs:Si (001) n⁺ 2 inci. Sampel S1 ditumbuhkan dengan suhu sel Bi 460 °C, sementara S2 menggunakan 505 °C. Sistem MBE VG V80 beroperasi pada tekanan latar belakang ~5 × 10⁻¹⁰ mbar. Setiap struktur terdiri dari buffer GaAs 130 nm, lapisan GaAs₁₋ₓBiₓ 130 nm, spasi GaAs 5 nm, dan cap GaAs 130 nm. Suhu pertumbuhan adalah ~580 °C untuk lapisan GaAs dan ~340 °C untuk lapisan GaAsBi di bawah fluks As₄ hampir steikiometri. Lapisan GaAsBi dianal in situ pada ~580 °C selama ~20 menit selama pertumbuhan cap. Tidak ada titik logam permukaan yang diamati. Suhu substrat dikalibrasi oleh termometri optik dan penanda rekonstruksi permukaan.

Spesimen lintas disiapkan dengan penggerusan mekanis dan milling ion Ar⁺ menggunakan sistem pemolesan ion presisi (PIPS). Milling akhir menggunakan 1,5 kV untuk meningkatkan kualitas permukaan, dan sampel dibersihkan plasma untuk meminimalkan deponi sinar elektron.

HAADF-STEM, EELS hilang nol, dan skan garis EDX dilakukan pada 200 kV pada mikroskop Titan³ Themis yang dilengkapi dengan korektor Cs, monokromator, dan detektor Super-X EDX. Citra elektron sekunder diperoleh pada FEI NOVA NANOSEM 450 pada 2 kV. Kuantifikasi Bi menggunakan garis Bi-M pada 2,42 keV dengan perangkat lunak Bruker Espirit. Ketebalan spesimen diperoleh dari EELS hilang nol yang teresolusi spasial menggunakan Digital Micrograph (GATAN™). Analisis qHAADF dilakukan dengan plugin Digital Micrograph, memetakan intensitas terintegrasi sekitar kolom atom. Spektra XRD ω–2θ (0 0 4) direkam pada difraktometer Bruker D8 Discover (Cu-Kα₁) dan disimulasikan dengan Bede Rads Mercury.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1 menampilkan citra HAADF-STEM perbesaran rendah di sumbu zona [110] untuk sampel S1 (a) dan S2 (b), bersama dengan profil intensitas yang dikoreksi gradien ketebalan (persegi hijau). Tidak ada dislocation threading atau stacking fault yang terdeteksi. Dalam HAADF, intensitas proporsional dengan nomor atom rata-rata; oleh karena itu, wilayah yang lebih terang menunjukkan konten Bi yang lebih tinggi (Z_Bi = 83, Z_Ga = 31, Z_As = 33). Sampel S1, dengan Bi lebih rendah, tidak menunjukkan variasi kontras yang jelas, sedangkan sampel S2 menunjukkan titik terang yang teratur di sepanjang lapisan GaAsBi dan antarmuka, yang ditafsirkan sebagai kluster Bi-kaya. Kluster ini tersemat dalam lapisan, seperti yang dikonfirmasi oleh topografi SEM tegangan rendah yang cocok dengan citra STEM.

Profil intensitas (Gambar 1c) mengungkapkan ketebalan lapisan yang serupa (~140 nm) untuk kedua sampel. Antarmuka GaAsBi/GaAs menunjukkan penurunan intensitas bertahap selama ~10 nm, yang menyiratkan integrasi Bi ke dalam cap GaAs bahkan tanpa fluks Bi. Dalam sampel Bi rendah (S1), antarmuka lebih tajam daripada dalam S2, yang menunjukkan koefisien integrasi Bi yang lebih tinggi pada fluks Bi yang lebih rendah, sesuai dengan pertumbuhan yang dibatasi kinetik [26].

Peta STEM-EDX (Gambar 2) mengonfirmasi pengamatan HAADF. Fraksi atom Bi rata-rata adalah 1,2 ± 0,4 % dalam S1 dan 5,3 ± 0,4 % dalam S2, yang mengonfirmasi distribusi Bi yang tidak seragam. Kluster Bi timbul dari halangan sterik; atom Bi yang lebih besar menghambat integrasi Ga, menciptakan rongga dan mengarah pada segregasi Bi. Peta elemen EDX dari kluster (Gambar 2b) menunjukkan penurunan simultan dalam sinyal Ga dan As di mana Bi tinggi, yang menunjukkan Bi menempati situs grup III dan grup V.

Citra HAADF-STEM perbesaran tinggi dalam proyeksi [110] dianalisis menggunakan qHAADF. Intensitas terintegrasi dari kolom grup V dibandingkan dengan intensitas GaAs bulk untuk mendapatkan rasio R = I_As-Bi/I_As. Gambar 3a menunjukkan antarmuka untuk S1; peta R (Gambar 3b) menampilkan nilai yang berkisar dari 1,00 hingga 1,27, yang menunjukkan pengayaan Bi 27 % dalam kolom dengan intensitas tertinggi. Koefisien variasi (Cv) adalah 1,3 % dalam substrat GaAs, 2,6 % dalam lapisan GaAsBi, dan 2,6 % dalam cap, yang mencerminkan fluktuasi komposisi terkait Bi.

Untuk sampel S2, HAADF-STEM mengungkapkan kluster equiaksial ≈ 12 nm yang tersebar seragam dalam lapisan GaAsBi dan di antarmuka (Gambar 4a). Penyaringan low-pass (Gambar 4b) menyoroti fased {111} dan (001). Kluster terdiri dari inti Bi-kaya (≈ 30 % Bi) yang dikelilingi cangkang Bi lebih rendah, mirip dengan pengamatan dalam multilayer GaAs₁₋ₓBiₓ/GaAs₁₋yBi_y [10]. Pemetaan qHAADF (Gambar 4c) menunjukkan gradien Bi yang mencolok yang mencapai puncak di pusat kluster. Analisis FFT dari wilayah terpilih (Gambar 4d) mengungkapkan titik {102} tambahan yang dapat dihubungkan dengan Bi rombohedral (rh-Bi) yang meminumnya dalam matriks zinc-blende, yang menunjukkan koesistensi fase dan relaksasi tekanan lokal.

Skena XRD ω–2θ (Gambar 5) menunjukkan puncak substrat GaAs yang tajam dan puncak GaAsBi yang lebih lebar pada sudut negatif, yang menunjukkan tekanan. Dalam S2, bahu pada puncak GaAs menandakan tekanan tarik dalam cap, mengonfirmasi relaksasi parsial lapisan GaAsBi. Simulasi berdasarkan data EDX dan HAADF (5,8 % Bi) cocok dengan kurva XRD yang wajar untuk S1, tetapi untuk S2 keberadaan kluster Bi-kaya membutuhkan konten Bi rata-rata yang lebih tinggi (~6 %) untuk cocok dengan posisi puncak yang diamati, yang memperkuat temuan HAADF-STEM.

Kesimpulan

HAADF-STEM yang dikoreksi aberasi, dilengkapi dengan qHAADF, FFT, dan XRD, menyediakan pandangan komprehensif tentang distribusi Bi dalam heterostruktur GaAs/GaAs₁₋ₓBiₓ/GaAs. Sampel Bi rendah menunjukkan antarmuka tajam dengan segregasi Bi yang ringan, sedangkan sampel Bi tinggi membentuk kluster Bi-kaya equiaksial ≈ 10–12 nm di seluruh matriks. Kluster ini mengandung baik fase rh-Bi maupun zinc-blende, yang menginduksi relaksasi jaringan lokal dan pengurangan tekanan parsial. Segregasi Bi yang diamati dan koesistensi fase adalah parameter kunci untuk menyesuaikan properti optik dan elektronik perangkat berbasis GaAsBi.

Singkatan

Ac-HAADF-STEM

Mikroskopi transmisi elektron transmisi high-angle annular dark-field yang dikoreksi aberasi

EDX

X-ray energi dispersif

EELS

Spektrum kehilangan energi elektron

ESR

Resonansi spin elektron konvensional

FEG

Cold field emission gun

FFT

Transformasi Fourier cepat

HRTEM

Mikroskopi transmisi elektron resolusi tinggi

IMEYMAT

Instituto Universitario de Investigación en Microscopía Electrónica y Materiales

MBE

Molecular beam epitaxy

qHAADF

Algoritma analisis citra HAADF kuantitatif

SEM

Mikroskopi elektron pemindai

XAS

Spektroskopi absorpsi X-ray

XRD

Difraksi X-ray