Transportasi Listrik Dalam Sektor Superlatir Tipe-II InAs/GaSb Inframerah Menengah dan Panjang yang Tumbuh pada GaAs melalui Epitaksi Salang Molekuler

Abstrak

Dalam karya ini, kami melaporkan properti transportasi listrik dalam sektor superlatir tipe-II InAs/GaSb inframerah menengah (MWIR) dan inframerah panjang (LWIR) yang tumbuh melalui sistem epitaksi salang molekuler (MBE) pada substrat GaAs (001). Ketidaksesuaian jaringan yang besar antara T2SL dan substrat GaAs dikurangi dengan pertumbuhan lapisan buffer GaSb berdasarkan teknik susunan ketidakcocokan antarmuka (IMF). Untuk mengomensasi tegangan pada T2SL InAs/GaSb, kami menggunakan urutan shutters khusus untuk mendapatkan antarmuka mirip InSb dan GaAs. Ditemukan bahwa T2SL MWIR InAs/GaSb menunjukkan konduksi tipe p dan n pada suhu rendah dan tinggi, masing-masing. Menariknya, suhu perubahan konduksi tergantung pada suhu pertumbuhan. Sebaliknya, konduksi T2SL LWIR didominasi hanya oleh elektron. Penting untuk dicatat bahwa mekanisme pencaran dominan dalam T2SL LWIR pada suhu rendah adalah mekanisme pencaran ketidakteraturan antarmuka.

Latar Belakang

Sejak T2SL InAs/GaSb dikonseptualkan oleh Sai-Halasz et al. [1] pada tahun 1977, perhatian besar telah diberikan pada investigasi bahan semiconductor ini. Fotodetektor berdasarkan T2SL ini secara teoretis memiliki potensi lebih tinggi dibandingkan merkuri kadmium telurida (HgCdTe) dan sistem bahan inframerah terbaik untuk aplikasi inframerah (IR) generasi mendatang [2, 3]. Menariknya, T2SL InAs/GaSb menunjukkan susunan pita tipe-II broken gap yang tidak biasa di mana minimum pita konduksi InAs terletak 140 meV lebih rendah dari puncak pita valensi GaSb [1]. Akibatnya, transisi dasar antara subpita lubang berat dan dasar pita konduksi bergantung pada ketebalan lapisan InAs atau GaSb [4]. Namun, keuntungan utama dari susunan ini adalah pengurangan laju rekombinasi Auger karena penekanan beberapa jaluran non-radiatif dalam pita valensi [5]. Selain itu, penggelinciran pita-ke-pita berkurang secara signifikan karena massa efektif yang besar (≈ 0,04 m₀) elektron dan lubang [6]. Kedua fitur terakhir ini memungkinkan pengurangan arus gelap, yang mengarah pada suhu operasi tinggi (HOT) dari fotodetektor.

Secara tradisional, T2SL InAs/GaSb tumbuh pada substrat GaSb yang cocok jaringan. Namun, substrat ini mahal dan tersedia dalam ukuran kecil kurang dari 3 inci, yang menghambat realisasi array focal plane (FPA) format besar. Selain itu, substrat GaSb tidak “siap epi” dan permukaan pertumbuhannya mengandung banyak cakmak makroskopis [7]. Selanjutnya, koefisien absorpsi relatif tinggi dalam substrat GaSb (≈ 100 cm⁻¹) untuk radiasi IR di atas 5 μm [8]. Karena keuntungan yang banyak, GaAs telah diusulkan sebagai kandidat yang layak untuk pertumbuhan T2SL InAs/GaSb [9,10,11,12]. Memang, substrat ini “siap epi”, hemat biaya, dan tersedia dalam ukuran besar hingga 6 inci. Selain itu, GaAs memiliki koefisien absorpsi dua orde magnitudo lebih rendah dari GaSb. Sayangnya, terdapat ketidaksesuaian jaringan besar (~ 7,5%) antara GaAs dan T2SL InAs/GaSb yang menghasilkan densitas cakmak ketidakcocokan tinggi (10⁹ cm⁻²) [13]. Oleh karena itu, wajib untuk mengembangkan teknik pertumbuhan baru untuk meredakan tegangan dan mengurangi densitas cakmak. Di antara teknik ini adalah nukleasi suhu rendah [14] dan teknik IMF [15, 16].

Untuk meningkatkan performa fotodetektor berdasarkan T2SL InAs/GaSb, diperlukan pemahaman yang lebih baik tentang parameter dasar. Salah satu parameter ini adalah konsentrasi carrier latar belakang yang terkait dengan umur carrier minoritas dan panjang difusi. Perlu dicatat bahwa bahan massa InAs dan GaSb memiliki polaritas konsentrasi carrier yang berlawanan. Memang, bahan InAs dan GaSb yang tumbuh menggunakan epitaksi salang molekuler (MBE) secara residual bertipe n dan p, masing-masing [17, 18]. Akibatnya, konduksi T2SL InAs/GaSb diprediksi bergantung pada ketebalan setiap konstituen.

Dalam makalah ini, kami menyelidiki properti transportasi dalam sektor T2SL InAs/GaSb 10 ML/10 ML GaSb dan 24 ML InAs/7 ML GaSb yang didedikasikan untuk deteksi di wilayah MWIR dan LWIR, masing-masing, yang tumbuh pada substrat GaAs (001) semi-insulasi. Studi ini dilakukan dengan melakukan pengukuran efek Hall bergantung pada suhu menggunakan metode Van der Pauw. Selain itu, pengaruh suhu pertumbuhan terhadap konduksi T2SL InAs/GaSb disajikan.

Metode

Sampel T2SL InAs/GaSb telah tumbuh pada substrat GaAs (001) semi-insulasi dalam sistem MBE sumber padat RIBER Compact 21-DZ. Sistem ini dilengkapi dengan sel eflusi standar untuk elemen golongan III (indium (In) dan galium (Ga)) dan sel pecahan dengan klep untuk bahan golongan V (arsenik (As) dan antimoni (Sb)). Suhu pecahan dipertahankan pada 900 °C untuk As dan Sb untuk menghasilkan As₂ dan Sb₂, masing-masing. Termokopel manipulator (TC) dan BandiT (BT) digunakan untuk memantau suhu pertumbuhan. Sistem ini telah dikalibrasi dari suhu desorpsi oksida GaAs. Setelah deoksidasi substrat GaAs pada 610 °C (diukur oleh BT), lapisan GaAs tebal 250 nm ditumpatkan pada 585 °C (BT) untuk mendapatkan permukaan awal yang halus. Selanjutnya, lapisan buffer GaSb tebal 1 μm telah tumbuh menggunakan teknik IMF pada suhu BT 440 °C [16, 19]. Teknik ini terdiri dari pembentukan susunan periodik cakmak ketidakcocokan 90° di antarmuka GaAs/GaSb yang mengarah pada densitas cakmak rendah (≈ 10⁶ cm⁻²) [20]. Setelah pertumbuhan lapisan buffer GaSb, BT tidak dapat digunakan lagi karena perubahan emisivitas, kerengutan permukaan, dan mekanisme penyerapan radiasi ekstra [21]. Jadi, suhu pertumbuhan T2SL InAs/GaSb dikontrol hanya oleh TC. T2SL MWIR 10 ML InAs/10 ML GaSb tumbuh pada suhu substrat yang berbeda, 330, 390, dan 400 °C (TC) untuk menyelidiki pengaruh suhu pertumbuhan terhadap properti transportasi. Sebaliknya, T2SL LWIR 24 ML InAs/7 ML GaSb telah ditumpatkan hanya pada 390 °C. Untuk mengomensasi tegangan antara InAs dan GaSb, urutan shutters khusus, yang dilaporkan menghasilkan kualitas struktural yang lebih baik [22, 23], digunakan sebagai berikut: pertumbuhan InAs diikuti oleh penyeberapan Sb selama 8 s untuk membentuk ikatan mirip InSb, sedangkan pertumbuhan GaSb diikuti oleh penyeberapan As selama 2 s untuk menumbuhi antarmuka mirip GaAs. Rasio flux V/III adalah 8,3 dan 4,6 untuk InAs dan GaSb, masing-masing. Selain itu, laju pertumbuhan adalah 0,5 ML/s untuk InAs dan GaSb. Pertumbuhan dipantau secara in situ oleh sistem difraksi elektron tenaga tinggi refleksi (RHEED).

Sampel yang telah tumbuh dievaluasi oleh difraksi sinar X resolusi tinggi (HRXRD) PANalytical X’Pert untuk menyelidiki properti struktural. Radiasi Cu Kα₁ (λ ≈ 1,5406 Å) yang berasal dari fokus garis dan monokromator Ge (004) empat pantulan telah digunakan. Properti transportasi dievaluasi oleh pengukuran efek Hall menggunakan metode Van der Pauw dalam sistem ECOPIA, dengan rentang suhu 80–300 K. Pengukuran dilakukan pada sampel persegi 6 × 6 mm²; kontak dibuat oleh titik indium di setiap sudut. Medan magnet 0,4 T diterapkan normal terhadap sampel.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1 menunjukkan kurva pemindaian HRXRD 2θ-ω yang diukur dan disimulasikan untuk refleksi simetris (004) dari T2SL InAs/GaSb MWIR dan LWIR. Simulasi dilakukan oleh perangkat lunak “Epitaxy” yang disediakan oleh PANalytical X’Pert. Seperti yang terlihat, terdapat satelit yang terpecahkan dengan urutan hingga 4 untuk T2SL MWIR dan hingga 7 untuk T2SL LWIR. Ini menunjukkan kualitas struktural tinggi dari lapisan yang tumbuh, terutama untuk T2SL LWIR. Sebaliknya, lebar paruh maksimum (FWHM) puncak urutan nol yang diukur dalam arah ω-2θ adalah 107 dan 99 arcsec untuk T2SL MWIR dan LWIR, masing-masing. Periode superlatir (L) ditentukan dari jarak sudut antara dua satelit bersebelahan (Δθ) sebagai berikut:

L = λ / (2 × Δθ × cos θ_SL)

di mana λ adalah panjang gelombang berkas sinar X insiden yang disebutkan sebelumnya dan θ_SL adalah sudut Bragg dari puncak urutan nol dari superlatir. Dari Gambar 1, periode T2SL MWIR dan LWIR adalah 6,74 ± 0,01 dan 10,24 ± 0,02 nm, masing-masing. Dengan mencocokkan kurva yang diukur dengan yang disimulasikan, komposisi satu periode T2SL MWIR ditemukan sebagai berikut: GaSb 3,4 nm (11,2 ML), GaAs 0,1 nm (0,2 ML), InAs 3,0 nm (10,1 ML), dan InSb 0,2 nm (0,5 ML). Selain itu, ketebalan konstituen T2SL LWIR adalah sebagai berikut: GaSb 2,3 nm (7,5 ML), GaAs 0,1 nm (0,2 ML), InAs 7,4 nm (24,7 ML), dan InSb 0,4 nm (1 ML). Ketidaksesuaian jaringan yang ditentukan dari sudut antara puncak urutan nol dan lapisan buffer GaSb adalah 8,9 × 10⁻³ dan 4,5 × 10⁻³ untuk T2SL MWIR dan LWIR, masing-masing. Gambar 2 memetakan ruang reciprok asimetris (115) RSM untuk T2SL yang tumbuh. Dalam kedua sampel, satelit superlatir dan puncak GaSb rata vertikal (mereka memiliki komponen vektor pencaran Qx yang sama), yang mengarah pada kesimpulan bahwa kedua T2SL secara praktis sepenuhnya teregang.

Parameter listrik dalam sektor T2SL InAs/GaSb MWIR yang tumbuh diilustrasikan dalam Gambar 3. Seperti yang terlihat, T2SL InAs/GaSb yang tidak disengaja diberi doping menunjukkan perubahan tipe konduktivitas yang dapat direproduksi. Meskipun pengaruh lapisan buffer GaSb (tipe p) pada pengukuran efek Hall, perlu dicatat bahwa perubahan tipe konduktivitas hanya disebabkan oleh lapisan T2SL. Perubahan ini juga dilaporkan oleh beberapa kelompok [6, 24,25,26]. T2SL menunjukkan konduksi tipe p di bawah suhu di mana perubahan terjadi (T_ch) dan konduksi tipe n di atas T_ch. Seperti yang disebutkan sebelumnya, lapisan InAs dan GaSb menunjukkan konduksi tipe n dan p, masing-masing. Oleh karena itu, latar belakang residu T2SL InAs/GaSb dengan ketebalan yang sama untuk kedua konstituen diinduksi oleh kompensasi carrier mayoritas dari konstituen biner T2SL [27]. Untuk nilai T_ch, Mohseni et al. [6] melaporkan nilai 140 K, Christol et al. [24] mendapatkan nilai 190 K, sedangkan Khoshakhlagh et al. [25] menyebutkan nilai 200 K. Perilaku konsentrasi carrier sheet dan mobilitas diatur oleh mekanisme pencaran fonon intrinsik yang dikenal (akustik, piezoelektrik, polar, dan nonpolar optik). Secara eksepsional, mobilitas Hall meningkat dengan peningkatan suhu di atas T_ch (Gambar 3b); ini mungkin karena perangkap terionisasi karena antarmuka InSb di antarmuka GaSb-on-InAs [6]. Nilai T_ch adalah 145, 195, dan 225 K, untuk T2SL yang tumbuh pada 330, 390, dan 400 °C, masing-masing (Gambar 3); ini mungkin karena konsentrasi lubang tinggi pada suhu pertumbuhan yang lebih tinggi, yang menggeser T_ch ke suhu lebih rendah. Konsentrasi lubang tinggi disebabkan oleh cakmak dan rongga terionisasi pada suhu pertumbuhan yang tinggi. T2SL InAs/GaSb yang tumbuh pada 390 °C ditandai dengan konsentrasi carrier 1,8 × 10¹⁶ dan 2,5 × 10¹⁶ cm⁻³ pada 80 dan 300 K, masing-masing. Hasil ini lebih baik dari yang dilaporkan oleh Mohseni et al. [6] (konsentrasi Hall berkisar dari 1,5 hingga 4 × 10¹⁷ cm⁻³) dan secara praktis sama dengan yang dilaporkan oleh Christol et al. [24] (konsentrasi Hall 1,6 × 10¹⁶ dan 6 × 10¹⁶ cm⁻³ pada 100 dan 300 K, masing-masing). Sebaliknya, mobilitas Hall adalah 1300 (tipe p) dan 3200 cm²/V s (tipe n), pada 80 dan 300 K, masing-masing. Mobilitas yang tercapai jauh lebih tinggi dari yang dilaporkan oleh Christol et al. [24], yang mendapatkan mobilitas Hall 100 dan 1800 cm²/V s pada 100 dan 300 K, masing-masing.

Resistivitas ketiga sampel berbeda ditunjukkan dalam Gambar 4. Terlihat bahwa resistivitas dan suhu memiliki dua kemiringan yang terdefinisi dengan baik. Untuk setiap sampel, dua energi aktivasi termal dapat diekstrak dari hukum Arrhenius. Untuk wilayah tipe n, energi aktivasi E_an adalah 58, 72, dan 68 meV untuk T2SL yang tumbuh pada 330, 390, dan 400 °C, masing-masing. Sedangkan untuk wilayah tipe p, E_ap sama dengan 7, 12, dan 14 meV, untuk T2SL InAs/GaSb yang ditumpatkan pada 330, 390, dan 400 °C, masing-masing. Untuk suhu rendah (di bawah T_ch), T2SL menunjukkan tipe p karena carrier tipe p yang terkait dengan E_ap yang mendominasi mekanisme generasi dan rekombinasi carrier. Untuk suhu di atas T_ch, T2SL menunjukkan konduksi tipe n karena aktivasi carrier level dalam yang terkait dengan energi aktivasi tinggi E_an. Sumber level dalam ini adalah level dangkal dalam massa InAs yang merupakan hasil dari susunan pita antara InAs dan T2SL InAs/GaSb dan yang bertindak sebagai level dalam dalam T2SL InAs/GaSb [28].

Konsentrasi Hall, mobilitas, dan resistivitas T2SL InAs/GaSb LWIR disajikan dalam Gambar 5. Berlawanan dengan T2SL MWIR, tidak ada perubahan tipe konduktivitas dalam kasus sampel ini. T2SL ini menunjukkan konduksi tipe n. Pengaruh lapisan buffer GaSb tipe p (carrier dengan mobilitas rendah) pada pengukuran efek Hall untuk T2SL tipe n ini (carrier dengan mobilitas tinggi) dapat diabaikan, karena mobilitas Hall berkadar kuadrat dengan mobilitas carrier. Khoshakhlagh et al. [25] melaporkan hasil yang sama untuk T2SL InAs/GaSb 13 ML/7 ML. Selain itu, Szmulowicz et al. [29] menyatakan bahwa T2SL LWIR, di mana lapisan InAs lebih tebal dari GaSb, cenderung bertipe n. Konduksi tipe n ini disebabkan oleh ketebalan besar lapisan InAs (yang secara residual diberi doping n) dibandingkan dengan GaSb. Carrier tipe n ini terkait dengan energi aktivasi 33 meV (Gambar 5b). Perilaku konsentrasi Hall dan mobilitas adalah khas untuk semiconductor tipe n, kecuali rentang suhu di bawah 95 K, di mana konsentrasi dan mobilitas carrier hampir tidak bergantung pada suhu. Ini adalah indikasi adanya mekanisme pencaran yang tidak bergantung pada suhu dalam wilayah suhu ini. Mekanisme ini terbukti adalah mekanisme pencaran ketidakteraturan antarmuka (IRS) [30,31,32,33,34]. Mekanisme ini dominan pada suhu rendah, di mana pencaran fonon mati [35]. Mekanisme IRS disebabkan oleh adanya antarmuka, serta variasi ketebalan lapisan, yang menghasilkan variasi level energi elektron; oleh karena itu, mereka bertindak sebagai sumber pencaran carrier [35]. Selain itu, mobilitas Hall yang didominasi oleh mekanisme IRS berkadar kuat keenam dari ketebalan InAs (μ ∝ d_InAs^6,2) [35].

Kesimpulan

Ringkasan, T2SL InAs/GaSb telah tumbuh pada substrat GaAs menggunakan lapisan buffer GaSb berdasarkan teknik IMF. Selain itu, T2SL ini telah ditunjukkan untuk wilayah deteksi MWIR dan LWIR. Ditemukan bahwa T2SL MWIR menunjukkan perubahan tipe konduksi, dari p ke n seiring peningkatan suhu. Selain itu, suhu di mana perubahan terjadi meningkat seiring peningkatan suhu pertumbuhan T2SL. Perubahan tipe konduksi ini dikaitkan dengan adanya dua level impurity dengan dua energi aktivasi yang berbeda. Sebaliknya, konduksi T2SL InAs/GaSb LWIR terbukti bertipe n untuk seluruh rentang suhu. Selain mekanisme pencaran konvensional, mekanisme IRS terbukti menjadi mekanisme pencaran dominan pada suhu rendah. Hasil ini memungkinkan pemahaman yang lebih baik tentang properti fisik T2SL InAs/GaSb, yang mengarah pada peningkatan performa fotodetektor IR berdasarkan bahan ini.

Singkatan

BT:

BandiT

FPAs:

Array Focal Plane

FWHM:

Lebar Paruh Maksimum

HOT:

Suhu Operasi Tinggi

HRXRD:

Difraksi Sinar X Resolusi Tinggi

IMF:

Susunan Ketidakcocokan Antarmuka

IR:

Inframerah

IRS:

Pencaran Ketidakteraturan Antarmuka

LWIR:

Inframerah Panjang

MBE:

Epitaksi Salang Molekuler

MWIR:

Inframerah Menengah

RHEED:

Difraksi Elektron Tenaga Tinggi Refleksi

RSM:

Peta Ruang Reciprok

T2SL:

Superlatir Tipe-II

TC:

Termokopel