Sifat Listrik Gelombang Tengah dan Gelombang Panjang InAs/GaSb Superlattices yang Ditumbuhkan pada Substrat GaAs oleh Molecular Beam Epitaksi
Abstrak
Dalam karya ini, kami melaporkan sifat transpor listrik dalam pesawat dari gelombang tengah (MWIR) dan inframerah gelombang panjang (LWIR) superlattices InAs/GaSb tipe-II (T2SLs) yang ditumbuhkan oleh sistem epitaksi berkas molekul (MBE) pada GaAs (001) substrat. Ketidakcocokan kisi yang besar antara substrat T2SL dan GaAs dikurangi dengan pertumbuhan lapisan penyangga GaSb berdasarkan teknik interfacial misfit array (IMF). Untuk mengkompensasi ketegangan di InAs/GaSb T2SL, kami menggunakan urutan penutup khusus untuk mendapatkan antarmuka seperti InSb dan GaAs. Ditemukan bahwa MWIR InAs/GaSb T2SL menunjukkan p - dan n -jenis konduksi pada suhu rendah dan tinggi, masing-masing. Menariknya, suhu perubahan konduksi diamati tergantung pada suhu pertumbuhan. Di sisi lain, konduksi LWIR T2SL hanya didominasi oleh elektron. Penting untuk dicatat bahwa mekanisme hamburan yang dominan pada LWIR T2SL pada suhu rendah adalah mekanisme hamburan kekasaran antarmuka.
Latar Belakang
Sejak InAs/GaSb T2SL telah dikonseptualisasikan oleh Sai-Halasz et al. [1] pada tahun 1977, perhatian besar telah diberikan dalam penyelidikan bahan semikonduktor ini. Fotodetektor berdasarkan T2SL ini menyajikan potensi yang lebih tinggi secara teoritis dibandingkan merkuri cadmium telluride (HgCdTe) dan sistem material inframerah mutakhir untuk aplikasi inframerah (IR) generasi berikutnya [2, 3]. Menariknya, InAs/GaSb T2SL menunjukkan jajaran pita celah patah tipe II yang tidak biasa di mana pita konduksi InAs minimum terletak 140 meV lebih rendah dari puncak pita valensi GaSb [1]. Akibatnya, transisi mendasar antara subband lubang berat dan dasar pita konduksi tergantung pada ketebalan lapisan InAs atau GaSb [4]. Namun, keuntungan utama dari penyelarasan ini adalah pengurangan laju rekombinasi Auger berkat penekanan beberapa jalur non-radiatif di pita valensi [5]. Selain itu, tunneling band-to-band berkurang secara signifikan karena massa efektif yang besar (≈ 0,04 m0 ) elektron dan hole [6]. Kedua fitur terakhir ini memungkinkan pengurangan arus gelap, yang mengarah ke suhu operasi tinggi (PANAS) dari fotodetektor.
InAs/GaSb T2SL secara tradisional ditanam pada substrat GaSb yang cocok dengan kisi. Namun, yang terakhir ini mahal dan tersedia dalam ukuran kecil kurang dari 3 inci, yang menghambat realisasi array bidang fokus (FPA) format besar. Selain itu, substrat GaSb tidak "epi-ready" dan permukaan pertumbuhannya mengandung banyak cacat makroskopik [7]. Selanjutnya, koefisien penyerapan relatif tinggi pada substrat GaSb (≈ 100 cm
−1
) untuk radiasi IR di atas 5 μm [8]. Karena banyak keuntungannya, GaAs telah diusulkan sebagai kandidat yang layak untuk pertumbuhan InAs/GaSb T2SL [9,10,11,12]. Memang, mereka "siap-epi", hemat biaya, dan tersedia dalam ukuran besar hingga 6 inci. Selain itu, GaAs memiliki koefisien penyerapan dua kali lipat lebih rendah daripada GaSb. Sayangnya, terdapat ketidakcocokan kisi yang besar (~ 7,5%) antara GaAs dan InAs/GaSb T2SL yang menghasilkan kepadatan dislokasi ketidaksesuaian yang tinggi (10
9
cm
−2
) [13]. Oleh karena itu, diperlukan konsep teknik pertumbuhan baru untuk menghilangkan regangan dan mengurangi densitas dislokasi. Di antara teknik ini adalah nukleasi suhu rendah [14] dan teknik IMF [15, 16].
Untuk meningkatkan kinerja fotodetektor berbasis InAs/GaSb T2SL, diperlukan pemahaman yang lebih baik tentang parameter fundamental. Salah satu parameter ini adalah konsentrasi pembawa latar belakang yang dikaitkan dengan masa hidup pembawa minoritas dan panjang difusi. Perlu dicatat bahwa bahan curah InAs dan GaSb memiliki polaritas yang berlawanan dari konsentrasi pembawa. Memang, bahan InAs dan GaSb yang ditumbuhkan menggunakan epitaksi berkas molekul (MBE) secara residual n - dan p -jenis, masing-masing [17, 18]. Akibatnya, konduksi InAs/GaSb T2SL diperkirakan bergantung pada ketebalan masing-masing konstituen.
Dalam makalah ini, kami menyelidiki properti transpor dalam pesawat dari 10 ML InAs/10 ML GaSb dan 24 ML InAs/7 ML GaSb T2SL yang didedikasikan untuk deteksi di region MWIR dan LWIR, masing-masing, yang ditumbuhkan pada GaAs semi-insulasi (001) substrat. Studi ini dicapai dengan melakukan pengukuran efek Hall yang bergantung pada suhu menggunakan metode Van der Pauw. Selain itu, pengaruh suhu pertumbuhan pada konduksi InAs/GaSb T2SL disajikan.
Metode
Sampel InAs/GaSb T2SL telah ditumbuhkan pada substrat semi-isolasi GaAs (001) dalam sistem MBE sumber padat RIBER Compact 21-DZ. Yang terakhir ini dilengkapi dengan sel efusi standar untuk elemen kelompok III (indium (In) dan galium (Ga)) dan sel retak berklep untuk bahan kelompok V (arsenik (As) dan antimon (Sb)). Temperatur cracker dijaga 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. Yang terakhir ini telah dikalibrasi dari suhu desorpsi oksida GaAs. Setelah deoksidasi substrat GaAs pada 610 °C (diukur dengan BT), lapisan GaAs setebal 250 nm diendapkan pada 585 °C (BT) untuk mendapatkan permukaan awal yang halus. Selanjutnya, lapisan penyangga GaSb setebal 1 m telah ditumbuhkan menggunakan teknik IMF pada suhu BT 440 °C [16, 19]. Teknik ini terdiri dari pembentukan susunan periodik dislokasi 90° yang tidak sesuai pada antarmuka GaAs/GaSb yang mengarah ke kerapatan dislokasi yang rendah (≈ 10
6
cm
−2
) [20]. Setelah lapisan penyangga GaSb tumbuh, BT tidak dapat digunakan lagi karena perubahan emisivitas, kekasaran permukaan, dan mekanisme penyerapan ekstra radiasi [21]. Dengan demikian, suhu pertumbuhan InAs/GaSb T2SL hanya dikendalikan oleh TC. MWIR 10 ML InAs/10 ML GaSb T2SL ditanam pada suhu substrat yang berbeda, 330, 390, dan 400 °C (TC) untuk menyelidiki pengaruh suhu pertumbuhan pada sifat transpor. Di sisi lain, LWIR 24 ML InAs/7 ML GaSb T2SL telah disimpan hanya pada 390 °C. Untuk mengkompensasi ketegangan antara InAs dan GaSb, urutan penutup khusus, yang dilaporkan menghasilkan kualitas struktural yang lebih baik [22, 23], digunakan sebagai berikut:pertumbuhan InAs diikuti oleh perendaman Sb selama 8 detik untuk membentuk InSb -seperti ikatan, sedangkan pertumbuhan GaSb diikuti oleh 2 detik perendaman As untuk menumbuhkan antarmuka seperti GaAs. Rasio fluks V/III masing-masing adalah 8,3 dan 4,6 untuk InAs dan GaSb. Selain itu, tingkat pertumbuhannya adalah 0,5 ML/dtk untuk InAs dan GaSb. Pertumbuhannya dipantau in situ dengan sistem refleksi difraksi elektron energi tinggi (RHEED).
Sampel yang ditanam telah dinilai dengan difraksi sinar-X resolusi tinggi (HRXRD) dari PANalytical X'Pert untuk menyelidiki sifat struktural. Cu Kα1 radiasi (λ 1.5406 Å) yang berasal dari fokus garis dan monokromator Ge empat pantulan (004) telah digunakan. Sifat transpor dievaluasi dengan pengukuran efek Hall menggunakan metode Van der Pauw dalam sistem ECOPIA, dengan kisaran suhu 80–300 K. Pengukuran dilakukan pada sampel persegi berukuran 6 × 6 mm
2
; kontak dibuat oleh titik-titik indium di setiap sudut. Medan magnet 0,4 T diterapkan secara normal pada sampel.
Hasil dan Diskusi
Gambar 1 mengilustrasikan HRXRD yang diukur dan disimulasikan 2θ-ω kurva pemindaian refleksi simetris (004) untuk MWIR dan LWIR InAs/GaSb T2SLs. Simulasi dilakukan oleh perangkat lunak “Epitaxy” yang disediakan oleh PANalytical X’Pert. Seperti dapat dilihat, ada satelit yang terselesaikan dengan baik dengan urutan hingga 4 untuk MWIR T2SL dan hingga 7 untuk LWIR satu. Hal ini menunjukkan kualitas struktural yang tinggi dari lapisan yang ditumbuhkan, terutama untuk LWIR T2SL. Di sisi lain, lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM) dari puncak orde ke-nol diukur dalam ω-2θ arahnya masing-masing adalah 107 dan 99 busur untuk MWIR dan LWIR T2SL. Periode superlattice (L ) ditentukan dari jarak sudut antara dua satelit yang berdekatan (Δθ ) sebagai berikut:
HRXRD 004 2θ-ω pemindaian a MWIR b dan LWIR InAs/GaSb T2SLs. Eksperimental (garis hitam) dan simulasi (garis merah) HRXRD 2θ-ω memindai (004) refleksi dari a MWIR T2SL; ada satelit yang terselesaikan dengan baik dengan pesanan hingga 4, yang merupakan karakteristik kualitas superlattice yang baik. FWHM dari puncak orde ke-nol adalah 107 busur, b dan LWIR InAs/GaSb T2SLs; ada puncak satelit dengan urutan hingga 7, yang menegaskan kualitas kristal yang tinggi. FWHM dari puncak orde ke-nol adalah 99 busur. Periode setiap superlattice dihitung dari jarak antar satelit yang berdekatan
dimana λ adalah panjang gelombang dari berkas sinar-X yang disebutkan sebelumnya dan θSL adalah sudut Bragg dari puncak orde nol superlattice. Dari Gambar 1, periode T2SL MWIR dan LWIR adalah 6,74 ± 0,01 dan 10,24 ± 0,02 nm, masing-masing. Dengan mencocokkan kurva terukur dengan kurva simulasi, komposisi satu periode MWIR T2SL diperoleh 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 LWIR T2SL 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 kisi yang ditentukan dari sudut antara puncak orde ke-nol dan lapisan penyangga GaSb adalah 8,9 × 10
−3
dan 4,5 × 10
−3
untuk MWIR dan LWIR T2SLs, masing-masing. Gambar 2 menyajikan peta ruang timbal balik (RSM) asimetris (115) untuk T2SL yang tumbuh. Dalam kedua sampel, satelit superlattice dan puncak GaSb disejajarkan secara vertikal (mereka memiliki komponen vektor hamburan Qx yang sama. ), yang mengarah pada kesimpulan bahwa kedua T2SL praktis sepenuhnya tegang.
Asimetris 115 RSM dari a MWIR dan b LWIR InAs/GaSb T2SL. Peta ruang timbal balik untuk refleksi asimetris (115) dari a MWIR dan b LWIR InAs/GaSb T2SL. Puncak di kedua superlattice disejajarkan secara vertikal (mereka memiliki nilai vektor hamburan Qx yang sama ). Oleh karena itu, dua superlattice untuk MWIR dan LWIR praktis diregangkan penuh
Parameter listrik dalam bidang dari MWIR InAs/GaSb T2SLs diilustrasikan pada Gambar 3. Seperti yang dapat dilihat, InAs/GaSb T2SL yang didoping secara tidak sengaja menunjukkan perubahan jenis konduktivitas yang dapat direproduksi. Terlepas dari pengaruh lapisan penyangga GaSb (p -type) pada pengukuran efek Hall, perlu diperhatikan bahwa perubahan tipe konduktivitas hanya disebabkan oleh lapisan T2SL. Perubahan ini juga dilaporkan oleh beberapa kelompok [6, 24,25,26]. T2SL menunjukkan p -jenis konduksi di bawah suhu di mana perubahan terjadi (Tch ) dan n -jenis konduksi di atas Tch . Seperti disebutkan sebelumnya, lapisan InAs dan GaSb menunjukkan n -ketik dan p -jenis konduksi, masing-masing. Oleh karena itu, latar belakang residu InAs/GaSb T2SL dengan ketebalan yang sama untuk dua konstituen diinduksi oleh kompensasi pembawa mayoritas dari konstituen biner T2SL [27]. Untuk nilai Tch , Mohseni dkk. [6] melaporkan nilai 140 K, Christol et al. [24] mendapat nilai 190 K, sedangkan Khoshakhlagh dkk. [25] menunjukkan nilai 200 K. Perilaku konsentrasi dan mobilitas pembawa lembaran diatur oleh mekanisme hamburan fonon intrinsik yang terkenal (akustik, piezoelektrik, polar, dan optik nonpolar). Luar biasa, mobilitas Hall meningkat dengan peningkatan suhu di atas Tch (Gbr. 3b); ini mungkin karena perangkap terionisasi karena antarmuka InSb pada antarmuka GaSb-on-InAs [6]. Tch nilainya adalah 145, 195, dan 225 K, untuk T2SL yang ditanam masing-masing pada 330, 390, dan 400 °C (Gbr. 3); ini karena mungkin ke konsentrasi lubang tinggi pada suhu pertumbuhan yang lebih tinggi, yang menggeser Tch untuk menurunkan suhu. Konsentrasi lubang yang tinggi disebabkan oleh cacat dan kekosongan terionisasi pada suhu pertumbuhan tinggi. InAs/GaSb T2SL yang tumbuh pada 390 °C ditandai dengan konsentrasi pembawa sebesar 1,8 × 10
16
dan 2,5 × 10
16
cm
−3
pada 80 dan 300 K, masing-masing. Hasil ini lebih baik dari yang dilaporkan oleh Mohseni et al. [6] (Konsentrasi aula berkisar dari 1,5 hingga 4 × 10
17
cm
−3
) dan praktis sama seperti yang dilaporkan oleh Christol et al. [24] (Konsentrasi aula 1,6 × 10
16
dan 6 × 10
16
cm
−3
pada 100 dan 300 K, masing-masing). Di sisi lain, mobilitas Hall adalah 1300 (p -type) dan 3200 cm
2
/V s (n -type), masing-masing pada 80 dan 300 K. Mobilitas yang dicapai jauh lebih tinggi daripada yang dilaporkan oleh Christol et al. [24], yang mendapat mobilitas Hall 100 dan 1800 cm
2
/V s pada 100 dan 300 K, masing-masing.
a Konsentrasi aula dan b Mobilitas hall MWIR InAs/GaSb T2SL ditumbuhkan pada temperatur yang berbeda. Parameter listrik MWIR InAs/GaSb T2SLs tumbuh pada suhu yang berbeda. a Konsentrasi hall:ketiga T2SL menunjukkan perubahan konduktivitas. Mereka adalah p -ketik pada suhu rendah dan n -jenis pada suhu tinggi. b Mobilitas hall:ada dua wilayah untuk kecenderungan mobilitas. Untuk suhu rendah, mobilitas menurun karena mekanisme hamburan yang berbeda. Untuk suhu tinggi, mobilitas meningkat dengan meningkatkan suhu, yang dapat dijelaskan oleh perangkap terionisasi di antarmuka mirip InSb. Suhu di mana perubahan konduktivitas terjadi meningkat ketika suhu pertumbuhan meningkat, yang disebabkan oleh tingkat cacat yang tinggi pada suhu yang lebih tinggi
Resistivitas dari tiga sampel yang berbeda ditunjukkan pada Gambar 4. Dapat diperhatikan bahwa resistivitas dan suhu memiliki dua kemiringan yang terdefinisi dengan baik. Untuk setiap sampel, dua energi aktivasi termal dapat diekstraksi dari hukum Arrhenius. Untuk n -jenis wilayah, energi aktivasi Esebuah adalah 58, 72, dan 68 meV untuk T2SL yang ditanam masing-masing pada 330, 390, dan 400 °C. Sedangkan untuk p -jenis wilayah, Eap sama dengan 7, 12, dan 14 meV, untuk InAs/GaSb T2SL yang masing-masing diendapkan pada 330, 390, dan 400 °C. Untuk suhu rendah (di bawah Tch ), T2SL menunjukkan p -ketik karena p -jenis operator yang terkait dengan Eap yang mendominasi generasi pembawa dan mekanisme rekombinasi. Untuk suhu di atas Tch , T2SL menunjukkan n -jenis konduksi karena aktivasi pembawa tingkat dalam yang terkait dengan energi aktivasi tinggi Esebuah . Sumber level dalam ini adalah level dangkal di InAs massal yang merupakan hasil dari barisan pita antara InAs dan InAs/GaSb T2SL dan yang bertindak sebagai level dalam di InAs/GaSb T2SL [28].
Resistivitas hall MWIR InAs/GaSb T2SL tumbuh pada a 330 °C, b 390 °C, dan c 400 °C. Resistivitas Hall MWIR InAs/GaSb T2SL diendapkan pada suhu pertumbuhan yang berbeda, a 330 °C, b 390 °C, dan c 400 °C. Untuk setiap grafik, ada dua lereng yang terdefinisi dengan baik. Dari hukum Arrhenius, dua energi termal dapat diekstraksi, yang menegaskan keberadaan dua tingkat pengotor. Satu mewakili n -jenis operator, dan yang kedua sesuai dengan p -jenis pembawa. Tingkat pengotor dalam yang terkait dengan n -type carriers adalah hasil dari lineup band antara InAs dan InAs/GaSb T2SL
Konsentrasi Hall, mobilitas, dan resistivitas LWIR InAs/GaSb T2SL disajikan pada Gambar 5. Berlawanan dengan MWIR T2SL, tidak ada perubahan jenis konduktivitas dalam kasus sampel ini. T2SL ini menunjukkan n -jenis konduksi. Pengaruh p -jenis lapisan buffer GaSb (pembawa mobilitas rendah) pada pengukuran efek Hall untuk n ini -tipe T2SL (pembawa mobilitas tinggi) dapat diabaikan, karena mobilitas Hall sebanding dengan kuadrat mobilitas pembawa. Khoshakhlagh dkk. [25] melaporkan hasil yang sama untuk 13 ML InAs/7 ML GaSb T2SL. Selain itu, Szmulowicz et al. [29] menunjukkan bahwa LWIR T2SL, di mana lapisan InAs lebih tebal dari GaSb, cenderung n -Tipe. n . ini -jenis konduksi disebabkan oleh ketebalan lapisan InAs yang besar (sisanya n -doped.) dibandingkan dengan GaSb. Ini n pembawa tipe -berhubungan dengan energi aktivasi 33 meV (Gbr. 5b). Perilaku konsentrasi dan mobilitas Hall adalah tipikal untuk n semikonduktor tipe-, kecuali kisaran suhu di bawah 95 K, di mana konsentrasi dan mobilitas pembawa hampir tidak bergantung pada suhu. Ini merupakan indikasi adanya mekanisme hamburan suhu-independen di wilayah suhu ini. Yang terakhir ini ditunjukkan sebagai mekanisme hamburan kekasaran antarmuka (IRS) [30,31,32,33,34]. Mekanisme ini dominan pada suhu rendah, di mana hamburan fonon dibekukan [35]. Mekanisme IRS disebabkan oleh adanya antarmuka, serta variasi ketebalan lapisan, yang menghasilkan variasi tingkat energi elektronik; oleh karena itu, mereka bertindak sebagai sumber hamburan pembawa [35]. Selain itu, mobilitas Hall yang didominasi oleh mekanisme IRS sebanding dengan pangkat enam dari ketebalan InAs (\( \mu \propto {d}_{\mathrm{InAs}}^{6.2} \)) [35].
a Konsentrasi Hall, Mobilitas Hall, dan b Resistivitas hall dari LWIR InAs/GaSb T2SL yang didoping secara tidak sengaja. Sifat transportasi dari LWIR InAs/GaSb T2SL. a Konsentrasi dan mobilitas aula:superlattice ini hanya menunjukkan n -jenis konduksi untuk seluruh rentang suhu. Konsentrasi Hall meningkat dengan meningkatnya suhu yang disebabkan oleh efek ionisasi. Di sisi lain, perilaku mobilitas Hall diatur oleh mekanisme hamburan yang berbeda (fonon dan pengotor terionisasi) untuk suhu yang lebih tinggi dari 95 K. Untuk suhu di bawah 95 K, mobilitasnya konstan (serta konsentrasi Hall), yang menegaskan adanya mekanisme hamburan lain yang tidak bergantung pada suhu. Yang terakhir ini adalah mekanisme kekasaran antarmuka. b Resistivitas Hall:dari hukum Arrhenius, hanya ada satu energi panas yang terkait dengan satu tingkat pengotor
Kesimpulan
Singkatnya, InAs/GaSb T2SLs telah ditumbuhkan pada substrat GaAs menggunakan lapisan buffer GaSb berdasarkan teknik IMF. Selain itu, T2SL ini telah didemonstrasikan untuk daerah deteksi MWIR dan LWIR. Telah ditemukan bahwa MWIR T2SL menunjukkan perubahan jenis konduksi, bentuk p - untuk n -ketik saat suhu meningkat. Selanjutnya, suhu di mana perubahan terjadi meningkat dengan meningkatnya suhu pertumbuhan T2SL. Perubahan jenis konduksi ini dikaitkan dengan adanya dua tingkat pengotor dengan dua energi aktivasi yang berbeda. Di sisi lain, konduksi LWIR InAs/GaSb T2SL ditunjukkan n -jenis untuk seluruh rentang suhu. Selain mekanisme hamburan konvensional, mekanisme IRS terbukti menjadi mekanisme hamburan yang dominan pada suhu rendah. Hasil ini memungkinkan pemahaman yang lebih baik tentang sifat fisik InAs/GaSb T2SL, yang mengarah pada peningkatan kinerja fotodetektor IR berdasarkan bahan ini.
