分子線エピタキシー法を用いたGeBi膜の作製と光学的性質

背景

光通信の分野では、高密度波長分割多重技術の光波長は、現在、Cバンド（1.53〜1.56μm）からLバンド（1.56〜1.62μm）に拡大しています。したがって、オプトエレクトロニクス検出器の波長には、CバンドとLバンドを含める必要があります。ただし、中赤外線での新しいアプリケーションのため、検出器の応答カットオフ波長は2μmより長くする必要があります。波長が2〜10μmの範囲の近赤外および遠赤外波長帯で半導体光電検出器を準備することが重要です[1,2,3,4]。

これまでのところ、Geベースの合金は赤外線オプトエレクトロニクス検出器の有望な材料であることが証明されています。 1984年、AT＆T.Bell Laboratoriesは、分子線エピタキシー（MBE）法によってGeSiフィルムn-i-pデバイスを作成し、動作波長は1.45μmでした[5、6]。 2010年、シュトゥットガルト大学は、低成長温度と動作波長1.2〜1.6μmのピン検出器を使用して、Sn含有量が0.5〜3％のGeSn膜を作成しました[7、8、9、10]。 2011年、中国科学院の学者Wang Qimingは、1.0〜3.5％のSn含有量のGeSn合金を準備し、1.3〜1.6μmの範囲の動作波長を持つピン検出器の準備に成功しました[11、12、13]。 2014年、M。Oehmeは垂直構造のGeSn / Ge多重量子井戸光検出器を開発し、ピンのカットオフ周波数は1.6μmを超えていました[14]。 2015年、S。Wirthsは、直接バンドギャップを備えたGeSnフィルムの作成に成功し、波長1.5μmのGeSnフィルム検出器を作成しました[15]。 K. Tokoは、RFマグネトロンスパッタリング技術[16]により、フレキシブル基板上に波長1.2〜1.6μmのオプトエレクトロニクスデバイスを作成しました。ただし、GeSiおよびGeSn半導体赤外線検出器のカットオフ波長はまだ2.0 µmより短く、アプリケーションの波長にCバンドとLバンド全体を含めることはできません。カットオフ波長が長い新しい材料を見つけることは、この問題を解決するのに役立ちます。

ここでは、MBE法を用いてカットオフ波長の長いn型GeBi半導体薄膜の作製と光学特性を報告します。カットオフ周波数は2.3μmで、アプリケーションの波長は1.44〜1.93μmの範囲で、CバンドとLバンドの両方が含まれています。この研究では、Ge _{1 − x} の赤外線およびテラヘルツ（THz）特性に対するBi合金の影響 Bi _x 映画は詳細に調査されます。

実験手順

GeBi膜は、4×10 ^-9 の範囲の真空圧でMBE法を使用して成長させました。 〜5×10 ^-10 トル。 Ge原子とBi原子は、それぞれGeソース（1200°C）とBiソース（400〜550°C）から放出され、p型Si単結晶ウェーハの（100）基板表面に到達しました。最終的にフィルムを形成しました。基板温度は150°Cで、成長速度は1.66〜2.50 nm / minの範囲でした。 GeBi膜の詳細な成長パラメータは、表1にまとめられています。

GeBi膜の相形成は、かすめ入射X線回折（XRD）によって特徴づけられました。 GeBiフィルムの形態は、走査型電子顕微鏡（SEM; JMS6490LV、JEOL、東京、日本）によって分析されました。サンプルの粗さは、原子間力顕微鏡（AFM、300 HV、SEIKO、日本）によってテストされました。ラマン分光法は、ラマン分光計（LabRAM HR、エジソン、ニュージャージー州、米国）によってテストされました。 GeBiフィルムの近赤外および遠赤外特性は、光学分光計（Lambda 75UV / VIS / NIR）および遠赤外分光計によって測定されました。テラヘルツ波の透過特性は、テラヘルツ時間領域分光法によって測定されました。

結果と考察

図1は、準備されたままのGe _{1 − x} のXRDパターンを示しています。 Bi _x 映画。 GeBi合金に起因する特徴的な回折ピークがすべてのMBE成長サンプルに見られることがわかります。図1は、Ge _{1 − x} のXRD結果を示しています。 Bi _x 熱処理なしでMBEによって成長したフィルム。すべてのサンプルはGeBi膜の回折ピークを示していますが、サンプルの結晶特性はBi含有量（ x ）0.020から0.222に変更されます。 Bi含有量が少ない場合（ x =0.020）、Ge _0.980 Bi _0.02 フィルムは（014）方向に沿って配向していることがわかりました。図1を参照してください。Bi含有量が x に増加すると =0.102、2 θ付近にある（104）ピークの横 =38.2 ^o 、2 θ付近にあるGeBiフィルムの（012）ピーク =27.2 ^o 現れ始めます。 Bi含有量の増加に伴い（ x ）0.183から0.222まで、（012）ピークの強度は劇的に増加しましたが、（104）ピークはほとんど消えました。これは、Ge _{1 − x} を示します Bi _x より高いＢｉ含有量を有​​するフィルムは、好ましくは、（１０４）方向ではなく（０１２）方向に沿って配向された。 Biの含有量の違いは、フィルムの微細構造に影響を及ぼしました。異なるBi含有量のGeBi膜の場合、成長パラメータを変更すると、成長の優先配向に影響を与える可能性があります。 Bi原子の融点が低いため、Bi原子はGe原子とグループを形成し、結晶格子に入り、Ge-Biセルを形成したと推測されます。 XRDの結果は、GeBiフィルムがMBE法で正常に作成され、Ge _{1 − x} のBi含有量を変更することで結晶特性を操作できることを示しています。 Bi _x 映画。

Ge _{1 − x} のXRDパターン Bi _x x の範囲のさまざまなBi含有量のGeBiフィルム =0.020から x =0.222

Ge _{1 − x} の典型的なSEM画像 Bi _x フィルムサンプルを図2に示します。Bi含有量が2.0％の場合（ x =0.02）、GeBi膜はよく成長し、その表面は非常に滑らかであることがわかりました。図2aを参照してください。 Bi含有量が10.2％に増加すると、均質な媒体に小さな点がいくつかありました。これは、新しい相の初期成形プロセスの表現でした。図2bを参照してください。エネルギー原理が最も低いため、表面のBi原子は分離され、グループに集約されます（サイズ33〜42 nm）。 Bi含有量が18.3％を超えると、フィルムには少なくともGeBi、アモルファスBi、Geの3つの相がありました。図2c、dを参照してください。 GeBiフィルムの粒子サイズは非常に大きく、最大で約1000nmでした。 GeBi粒子の結晶境界の間に、30.7〜118.0nmの範囲の小さな粒子サイズの分離したBi粒子とGe粒子が見つかりました。 GeBi合金の固溶度を超えるBi含有量の場合、低温下で大粒界に過剰なBi原子が堆積し、Bi相を形成することがわかりました。低温の制限によりBi原子と反応できなかったGe原子も、大粒界にGe相を形成した。それでも、Bi含有量の増加は、GeBi粒子の好ましい成長を促進した可能性があり、粒子サイズは42nmから100nmに変化しました。図2b、dを参照してください。

異なるBi含有量のGeBiフィルムの典型的なSEMパターン： a 2.0％; b 10.2％; c 18.3％;および d 20.3％

図3は、Ge _{1 − x} の典型的なAFM画像を示しています。 Bi _x さまざまなBi含有量のフィルム、およびRa値とRMS値を表2にまとめています。Biの含有量が増えると、Ra値とRMS値が大幅に増加し、Ge _{1 − x Bi x フィルムが増えます。一方、図3b〜dには、不均一な粒子サイズと粒界の小さな粒子のために、いくつかの不規則なピークがありました。 Biの含有量が多すぎると、GeBi合金へのBiの固溶度が制限されるため、Ge原子に置き換わるBi原子の数が制限されていました。膜上に堆積した過剰なBi原子は、膜を粗くし、GeBi膜の微細構造に大きな影響を与えました。これは、SEMの結果と一致しています。}

異なるBi含有量のGeBiフィルムのAFMテスト結果： a 2.0％; b 10.2％; c 18.3％;および d 20.3％

図4は、成長したままのGe _{1 − x} の室温ラマンスペクトルを示しています。 Bi _x MBEが作成したBi含有量の異なるフィルム。約190cm ^-1 にある一連のピーク Ge-Bi振動モードに起因する可能性があります。 Bi含有量の増加に伴い、Ge-Biピークはより強くなり、より高い波数（cm ^-1 ）にシフトしました。 ）。より高い波数へのシフトは、Bi含有量の増加に伴い、膜の格子定数の不一致率とGeBi膜の格子ひずみが増加したことを示しました。 BiドーピングはGe _{1 − x} の格子ひずみを調整する効果的な方法であると結論付けることができます。 Bi _x 合金薄膜。

Bi含有量の異なるGeBi膜のラマンスペクトル

図5は、Bi含有量が異なるGeBiフィルムの近赤外線特性を示しています。フィルムの吸収挙動は、それらの反射特性と透過特性から得られました。図5aに示すように、Bi含有量が増えると、GeBi膜の反射率は1014〜2500 nmの範囲で減少しました。これは、膜の吸収が増加したことを示しています。 1932〜1938 nmの範囲の谷は、GeBiフィルムの間接バンドギャップ吸収に起因する可能性があります。そして、エネルギー吸収谷の深さは、Bi含有量の増加とともに減少しました。 Bi含有量が20％を超えると、谷は1932〜1938nmの範囲で消失しました。 GeBiフィルムの直接バンドギャップは1446〜1452nmの範囲でした。エネルギー吸収谷の深さも、Bi含有量の増加とともに減少しました。 Bi含有量が20.3％を超えると、1446〜1452nmの範囲で谷が消えました。結論として、Bi含有量の増加は、GeBi膜の反射率を低下させ、吸光係数を増加させ、最終的に反射振幅を減少させます。図5bに示すように、約1020 nm（1.22 eV）に変曲点がありました。これは、1.12eVでのSiの禁止バンドギャップに起因します。波長が変曲点の値よりも小さい場合、GeBi膜とSi基板の透過率は小さかった。 1020〜2500 nmの範囲では、透過率は波長の増加とともに増加しました。しかし、Bi含有量が18.3％から22.2％に増加すると、透過率が低下しました。 800〜1600 nmの範囲では、屈折率、吸光係数、および過剰なBi含有量の大幅な変化が、膜の吸収に影響を及ぼしました[17、18]。

反射スペクトル（ a ）および透過スペクトル（ b ）近赤外波帯のBi含有量が異なるGeBi膜の

図6は、遠赤外線帯域でさまざまなBi含有量のGeBiフィルムの特性を示しています。 4〜15μmの波長帯のGeBiフィルムには、高く安定した吸収ウィンドウがありました。図6a、bを参照してください。反射率と透過率の原理が異なるため、図6a、bからGeBiフィルムの吸収を直接取得することはできませんでした。 1〜25μmの波帯におけるGe膜の屈折係数と実験結果を分析し[17]、Ge膜に対するBi含有量の影響を検討し、遠方のGeBi膜の吸収スペクトルを取得しました。最後に、赤外線帯域については、図6cを参照してください。 Bi含有量が2から10.2％に増加すると、吸収は1から25μmの範囲で9.3から22.6％に増加しました。吸収は、Bi含有量をさらに増やすと同じ傾向がありました。ただし、Bi含有量が増加すると、Ge _{1 − x} の吸収が増加します。 Bi _x 薄膜は1.0〜7.5μmの範囲で増加し、その後7.5〜25μmの範囲で減少しました。 Ｂｉ含有量が１０％を超えると、ＧｅＢｉ膜にＢｉ原子が堆積し、表面粗さが増加し、その後、吸収が減少した。図7は、さまざまなBi含有量のGeBiフィルムの周波数の関数としてのTHz透過率を示しています。 Bi含有量が2％から10.2％に増加すると、透過率は10％減少しました。透過率は、Bi含有量が18.3％から22.2％に増加するにつれてわずかに増加しました。透過率の測定値は、Ge _{1 − x} のTHz特性を示しています。 Bi _x 薄膜は、Bi含有量を変えることで調整できます。これは、テラヘルツ波変調器などのアプリケーションにとって非常に重要です[19]。

透過スペクトル（ a ）、反射スペクトル（ b ）、および吸収スペクトル（ c ）遠赤外波帯のBi含有量が異なるGeBi膜の

Bi含有量の異なるGeBi膜のTHz透過スペクトル

結論

要約すると、Ge _{1 − x} Bi _x Biフラクション x のフィルム =0〜0.222は、低温MBEを使用してp-Si（100）基板上で正常に成長しました。 XRDおよびSEMの結果は、Ge _{1 − x} のBi含有量を変更することにより、それらの結晶および形態学的特性を操作できることを示しています。 Bi _x 映画。 Ge _{1 − x} の赤外線およびTHz性能を含む光学特性に対するBi含有量の影響 Bi _x フィルムは体系的に調査されました。 Bi含有量が適度に増加すると、反射率が低下し、赤外線波長の透過率が変化しました。テラヘルツ帯のGeBi膜の透過率は、Bi含有量の適度な増加とともに減少しました。したがって、MBE Ge _{1 − x} Bi _x フィルムは、赤外線とTHzの両方の用途に有望な材料です。

略語

AFM：

原子間力顕微鏡

MBE：

分子線エピタキシー

SEM：

走査型電子顕微鏡

THz：

テラヘルツ

XRD：

X線回折