Elektrische eigenschappen van midwave en longwave InAs/GaSb-superroosters gekweekt op GaAs-substraten door middel van moleculaire bundelepitaxie

Resultaten en discussie

Afbeelding 1 illustreert de gemeten en gesimuleerde HRXRD 2θ-ω scancurves van de symmetrische (004) reflectie voor de MWIR en LWIR InAs/GaSb T2SL's. De simulatie wordt uitgevoerd door de "Epitaxy"-software van PANalytical X'Pert. Zoals te zien is, zijn er goed opgeloste satellieten met een bestelling tot 4 voor MWIR T2SL en tot 7 voor LWIR één. Dit geeft de hoge structurele kwaliteit van de gegroeide lagen aan, vooral voor LWIR T2SL. Aan de andere kant, de volledige breedte op half maximum (FWHM) van de nulde-orde piek gemeten in ω-2θ richting is respectievelijk 107 en 99 arcsec voor MWIR en LWIR T2SL's. De superroosterperiode (L ) wordt bepaald uit de hoekafstand tussen twee aangrenzende satellieten (Δθ ) als volgt:

HRXRD 004 2θ-ω scan van a MWIR b en LWIR InAs/GaSb T2SL's. Experimenteel (zwarte lijn) en gesimuleerd (rode lijn) HRXRD 2θ-ω scant voor de (004) reflectie van a MWIR T2SL; er zijn goed opgeloste satellieten met een orde tot 4, wat een kenmerk is van een goede kwaliteit van superrooster. De FWHM van de nulde-orde piek is 107 boogsec, b en LWIR InAs/GaSb T2SL's; er zijn satellietpieken met een orde tot 7, wat de hoge kristallijne kwaliteit bevestigt. De FWHM van de nulde-orde piek is 99 boogseconden. De periode van elk superrooster wordt berekend op basis van de afstand tussen aangrenzende satellieten

waar λ is de golflengte van de eerder genoemde invallende röntgenstraal en θ _SL is de Bragg-hoek van de nulde-orde piek van het superrooster. Uit Fig. 1 is de periode van de MWIR- en LWIR T2SL's respectievelijk 6,74 ± 0,01 en 10,24 ± 0,02 nm. Door de gemeten curve te matchen met de gesimuleerde, blijkt de samenstelling van één periode van MWIR T2SL als volgt te zijn:GaSb 3,4 nm (11,2 ML), GaAs 0,1 nm (0,2 ML), InAs 3,0 nm (10,1 ML), en InSb 0,2 nm (0,5 ML). Bovendien zijn de diktes van LWIR T2SL-bestanddelen als volgt:GaSb 2,3 nm (7,5 ML), GaAs 0,1 nm (0,2 ML), InAs 7,4 nm (24,7 ML) en InSb 0,4 nm (1 ML). De roostermismatch bepaald uit de hoek tussen de nulde-ordepiek en de GaSb-bufferlaag is 8,9 × 10 ⁻³ en 4.5 × 10 ⁻³ voor respectievelijk MWIR en LWIR T2SL's. Afbeelding 2 toont de asymmetrische (115) wederzijdse ruimtekaart (RSM) voor de volwassen T2SL's. In beide monsters zijn de satellieten van de superroosters en de GaSb-piek verticaal uitgelijnd (ze hebben dezelfde component van de verstrooiingsvector Q_x ), wat leidt tot de conclusie dat beide T2SL's praktisch volledig gespannen zijn.

Asymmetrische 115 RSM van a MWIR en b LWIR InAs/GaSb T2SL's. De wederzijdse ruimtekaart voor de asymmetrische reflectie (115) van a MWIR en b LWIR InAs/GaSb T2SL's. De pieken in beide superroosters zijn verticaal uitgelijnd (ze hebben dezelfde waarde van de verstrooiingsvector Q_x ). Daarom zijn de twee superroosters voor MWIR en LWIR praktisch volledig gespannen

De elektrische parameters in het vlak van de gegroeide MWIR InAs/GaSb T2SL's worden geïllustreerd in Fig. 3. Zoals te zien is, vertoont de onbedoeld gedoteerde InAs/GaSb T2SL een reproduceerbare verandering in het type geleidbaarheid. Ondanks de invloed van de GaSb-bufferlaag (p -type) op de Hall-effectmetingen, moet worden opgemerkt dat de verandering in het geleidbaarheidstype alleen te wijten is aan de T2SL-laag. Deze verandering werd ook gemeld door verschillende groepen [6, 24,25,26]. De T2SL vertoont een p -type geleiding onder de temperatuur waarbij de verandering optreedt (T _ch ) en een n -type geleiding boven T _ch . Zoals eerder vermeld, vertonen de InAs- en GaSb-lagen een n -type en p -type geleiding, respectievelijk. Daarom wordt de resterende achtergrond van de InAs/GaSb T2SL met vergelijkbare dikte voor de twee bestanddelen veroorzaakt door de meerderheidsdragercompensatie van de binaire bestanddelen van de T2SL [27]. Voor de waarde van T _ch , Mohseni et al. [6] rapporteerde een waarde van 140 K, Christol et al. [24] kreeg een waarde van 190 K, terwijl Khoshakhlagh et al. [25] wees op een waarde van 200 K. Het gedrag van de bladdragerconcentratie en mobiliteit wordt bepaald door de bekende intrinsieke fononverstrooiing (akoestische, piëzo-elektrische, polaire en niet-polaire optische) mechanismen. Uitzonderlijk neemt de mobiliteit van de Hall toe met toename van de temperatuur boven T _ch (Fig. 3b); dit is waarschijnlijk vanwege de geïoniseerde vallen vanwege de InSb-interface op de GaSb-on-InAs-interface [6]. T _ch waarde is 145, 195 en 225 K, voor de T2SL die is gegroeid bij respectievelijk 330, 390 en 400 °C (Fig. 3); dit komt waarschijnlijk naar de hoge gatenconcentratie bij hogere groeitemperatuur, waardoor de T . verschuift _ch temperatuur te verlagen. De hoge gatenconcentratie is te wijten aan defecten en geïoniseerde vacatures bij hoge groeitemperatuur. De InAs/GaSb T2SL gekweekt bij 390 °C wordt gekenmerkt door een dragerconcentratie van 1,8 × 10 ¹⁶ en 2,5 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ bij respectievelijk 80 en 300 K. Dit resultaat is beter dan dat gerapporteerd door Mohseni et al. [6] (Zaalconcentratie varieert van 1,5 tot 4 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ ) en praktisch hetzelfde als dat gerapporteerd door Christol et al. [24] (Zaalconcentratie van 1,6 × 10 ¹⁶ en 6 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ bij respectievelijk 100 en 300 K). Aan de andere kant is de Hall-mobiliteit 1300 (p -type) en 3200 cm ² /V s (n -type), bij respectievelijk 80 en 300 K. De bereikte mobiliteit is veel hoger dan die gerapporteerd door Christol et al. [24], die een Hall-mobiliteit kreeg van 100 en 1800 cm ² /V s bij respectievelijk 100 en 300 K.

een Zaalconcentratie en b Hall-mobiliteit van MWIR InAs/GaSb T2SL gekweekt bij verschillende temperaturen. De elektrische parameters van de MWIR InAs/GaSb T2SL's gekweekt bij verschillende temperaturen. een Hall-concentratie:de drie T2SL's vertonen een verandering van geleidbaarheid. Het zijn p -type bij lage temperaturen en n -type bij hoge temperaturen. b Zaalmobiliteit:er zijn twee regio's voor de mobiliteitstendens. Bij lage temperaturen neemt de mobiliteit af door de verschillende verstrooiingsmechanismen. Voor hoge temperaturen neemt de mobiliteit toe door de temperatuur te verhogen, wat kan worden verklaard door de geïoniseerde vallen in InSb-achtige interface. De temperatuur waarbij de geleidbaarheidsverandering optreedt, neemt toe wanneer de groeitemperatuur stijgt, wat te wijten is aan de hoge defectniveaus bij hogere temperaturen

De soortelijke weerstand van de drie verschillende monsters wordt getoond in Fig. 4. Het kan worden opgemerkt dat de soortelijke weerstand en temperatuur twee duidelijk gedefinieerde hellingen hebben. Voor elk monster kunnen twee thermische activeringsenergieën worden geëxtraheerd uit de wet van Arrhenius. Voor de n -type regio, de activeringsenergie E _een is 58, 72 en 68 meV voor de T2SL die wordt gekweekt bij respectievelijk 330, 390 en 400 °C. Terwijl voor de p -type regio, E _ap is gelijk aan 7, 12 en 14 meV, voor de InAs/GaSb T2SL die is afgezet bij respectievelijk 330, 390 en 400 °C. Voor lage temperaturen (onder T _ch ), toont de T2SL een p -type vanwege p -type dragers geassocieerd met E _ap die de mechanismen voor het genereren en recombinatie van dragers domineren. Voor temperaturen boven T _ch , vertoont de T2SL een n -type geleiding als gevolg van de activering van diepe dragers geassocieerd met hoge activeringsenergie E _een . De bron van deze diepe niveaus zijn de ondiepe niveaus in de bulk InAs die het resultaat zijn van de bandopstelling tussen InAs en InAs/GaSb T2SL en die fungeren als diepe niveaus in de InAs/GaSb T2SL [28].

Hall-weerstand van de MWIR InAs/GaSb T2SL gegroeid op a 330 °C, b 390 °C en c 400 °C. De Hall-weerstand van de MWIR InAs/GaSb T2SL afgezet bij verschillende groeitemperaturen, a 330 °C, b 390 °C en c 400 °C. Voor elke grafiek zijn er twee goed gedefinieerde hellingen. Uit de wet van Arrhenius kunnen twee thermische energieën worden afgeleid, wat het bestaan ​​van twee onzuiverheidsniveaus bevestigt. Een staat voor de n -type dragers, en de tweede komt overeen met de p -type dragers. Het diepe onzuiverheidsniveau geassocieerd met de n -type carriers is het resultaat van de bandopstelling tussen InAs en InAs/GaSb T2SL

De Hall-concentratie, mobiliteit en soortelijke weerstand van de LWIR InAs/GaSb T2SL worden weergegeven in Fig. 5. In tegenstelling tot de MWIR T2SL is er in het geval van dit monster geen verandering in het type geleidbaarheid. Deze T2SL vertoont een n -type geleiding. De invloed van de p -type GaSb buffer (low-mobility carriers) laag op de Hall-effectmeting voor deze n -type T2SL (high-mobility carriers) is verwaarloosbaar, aangezien de Hall-mobiliteit evenredig is met de mobiliteit van de vervoerders in het kwadraat. Choshakhlagh et al. [25] rapporteerde hetzelfde resultaat voor 13 ML InAs/7 ML GaSb T2SL. Bovendien hebben Szmulowicz et al. [29] wees erop dat LWIR T2SL, waarin de InAs-laag dikker is dan GaSb, de neiging heeft n te zijn -type. Deze n -type geleiding is te wijten aan de grote dikte van de InAs-laag (resterend n -gedoteerd.) vergeleken met die van GaSb. Deze n -type dragers worden geassocieerd met een activeringsenergie van 33 meV (Fig. 5b). Het gedrag van de Hall-concentratie en mobiliteit is typerend voor n -type halfgeleiders, behalve het temperatuurbereik onder 95 K, waar de concentratie en mobiliteit van de drager bijna temperatuuronafhankelijk zijn. Dit is een aanwijzing voor het bestaan ​​van een temperatuuronafhankelijk verstrooiingsmechanisme in dit temperatuurgebied. Van dit laatste is aangetoond dat het het interface-ruwheidsverstrooiingsmechanisme (IRS) is [30,31,32,33,34]. Dit mechanisme is dominant bij lage temperaturen, waar de fononverstrooiing is bevroren [35]. IRS-mechanisme is te wijten aan het bestaan ​​van interfaces, evenals de variatie van de laagdikten, wat resulteert in de variatie van de elektronische energieniveaus; daarom fungeren ze als een bron van dragerverstrooiing [35]. Bovendien is de door het IRS-mechanisme gedomineerde Hall-mobiliteit evenredig met de zesde macht van de InAs-dikte (\( \mu \propto {d}_{\mathrm{InAs}}^{6.2} \)) [35].

een Zaalconcentratie, zaalmobiliteit en b Hall-weerstand van onbedoeld gedoteerde LWIR InAs/GaSb T2SL. De transporteigenschappen van de LWIR InAs/GaSb T2SL. een Zaalconcentratie en mobiliteit:dit superrooster vertoont alleen n -type geleiding voor het hele temperatuurbereik. De Hall-concentratie neemt toe door de temperatuur te verhogen die wordt veroorzaakt door de ionisatie-effecten. Aan de andere kant wordt het mobiliteitsgedrag van Hall bepaald door de verschillende verstrooiingsmechanismen (fononen en geïoniseerde onzuiverheden) voor temperaturen hoger dan 95 K. Voor temperaturen onder 95 K is de mobiliteit constant (evenals de Hall-concentratie), wat bevestigt het bestaan ​​van een ander verstrooiingsmechanisme dat temperatuuronafhankelijk is. Dit laatste is het interface-ruwheidsmechanisme. b Hall-weerstand:volgens de wet van Arrhenius is er slechts één thermische energie geassocieerd met één onzuiverheidsniveau