Kartering van bismutdistributie in GaAsBi/GaAs heterostructuren met aberratie-gecorrigeerde HAADF-STEM

Samenvatting

Met behulp van aberratie-gecorrigeerde hoge-hoek annulaire donker-veld (HAADF) STEM onderzochten we de distributie van bismut (Bi) in moleculaire-bundel-epitaxie (MBE) gegroeide GaAs/GaAs_1-xBi_x/GaAs heterostructuren geproduceerd bij een substrattemperatuur van ongeveer 340 °C. Laag-vergrotende HAADF-afbeeldingen, bevestigd door energie-dispersieve röntgen (EDX) analyse, onthulden defectvrije lagen maar een non-uniforme Bi-concentratie aan de interfaces en binnen de GaAsBi-laag. Hoog-vergrotende kwantitatieve HAADF (qHAADF) analyse bevestigde Bi-segregatie bij lage Bi-flux en het verschijnen van vervormde dumbbell-structuren waar de Bi-inhoud verhoogd is. Wanneer de Bi-flux wordt verhoogd, groeit de Bi-opsameling tot ≈ 10–12 nm equiaxiale deeltjes gefacetteerd langs zincblende {111} vlakken, uniform verdeeld in de matrix en aan interfaces. Snelle-Fourier-transformatie (FFT) analyse detecteerde co-existentie van rhomboedrische Bi (rh-Bi) ingesloten in de zincblende GaAs_1-xBi_x matrix. Deze clusters ontspannen lokaal het rooster, in overeenstemming met röntgendiffractie (XRD) metingen.

Achtergrond

GaAsBi-halfgeleiders hebben aandacht getrokken voor temperatuur-stabiele, mid-infrarode apparaten. Het incorporeren van kleine hoeveelheden Bi in het GaAs-rooster verlaagt de bandgap dramatisch, een cruciale opto-elektronische effect. Echter, de zwakke Ga-Bi-binding, grote mischbaarheidskloof en roostermismatch maken Bi-incorporatie uitdagend, wat non-evenwichtsgroeiomstandigheden vereist voor efficiënte incorporatie. Zelfs wanneer succesvol, segregeert Bi vaak in clusters of druppels, wat niet-radiatieve recombinatiecentra creëert die de apparatuurprestaties degraderen. De neiging voor fase-scheiding, oppervlakte-druppels, atoomaire ordening en nanodruppels is gedocumenteerd door röntgenabsorptiespectroscopie (XAS), atoommachtmicroscopie en XRD. Elektronenspinresonantie (ESR) studies tonen aan dat ruwweg 10 % van de geïntegreerde Bi Ga-posities bezit. Een diepgaand begrip van Bi-incorporatie en defectvorming is dus essentieel voor apparatuuroptimalisatie. Geavanceerde karakteriseringstools, met name aberratie-gecorrigeerde HAADF-STEM, maken sub-angstrom imaging van verdunde legeringen mogelijk, waar intensiteit schaalt met het gemiddelde atoomnummer (Z). qHAADF-analyse correleert HAADF-intensiteit met atoomaire kolomsamenstelling in III-V legeringen, terwijl hoge-resolutie afbeeldingen kristalkwaliteit onthullen.

Dit werk gebruikt aberratie-gecorrigeerde HAADF-STEM en complementaire EDX om Bi-distributie in GaAs/GaAs_1-xBi_x/GaAs heterostructuren te onderzoeken, gegroeid door MBE bij ~340 °C. We onderzoeken ook de impact van Bi-segregatie op de nano- en microschaalstructuur, gebruikmakend van qHAADF, FFT-analyse en XRD.

Methoden

Twee heterostructuren werden geproduceerd door vaste-bron MBE op 2″ n⁺ GaAs:Si (001) wafers. Monster S1 werd gekweekt met een Bi-celtemperatuur van 460 °C, terwijl S2 505 °C gebruikte. Het VG V80 MBE-systeem werkte bij een achtergronddruk van ~5 × 10⁻¹⁰ mbar. Elke structuur bestond uit een 130 nm GaAs-buffer, een 130 nm GaAs_1-xBi_x laag, een 5 nm GaAs-spacer en een 130 nm GaAs-kap. Groeitemperaturen waren ~580 °C voor GaAs-lagen en ~340 °C voor de GaAsBi-laag onder near-stoichiometrische As₄-flux. De GaAsBi-laag werd in-situ geanneald bij ~580 °C gedurende ~20 min tijdens kapgroeie. Geen oppervlakte-metallische druppels werden waargenomen. Substrattemperaturen werden gekalibreerd door optische thermometrie en oppervlakte-reconstructiemarkers.

Dwarsdoorsnede-monsters werden bereid door mechanisch slijpen en Ar⁺ ionenfrezen met een precisie-ion-polijstsysteem (PIPS). Het laatste frezen gebruikte 1,5 kV om de oppervlakte-kwaliteit te verbeteren, en monsters werden plasma-gereinigd om elektronenbundel-depositie te minimaliseren.

HAADF-STEM, nul-verlies EELS en EDX-lijnsommen werden uitgevoerd bij 200 kV op een Titan³ Themis microscoop uitgerust met een Cs-corrector, monochromator en Super-X EDX-detector. Secundaire elektronenafbeeldingen werden verkregen op een FEI NOVA NANOSEM 450 bij 2 kV. Bi-kwantificering gebruikte de Bi-M lijn bij 2,42 keV met Bruker Espirit software. Monsterdikte werd afgeleid van ruimtelijk opgeloste nul-verlies EELS met Digital Micrograph (GATAN™). qHAADF-analyse werd uitgevoerd met de Digital Micrograph plugin, het afbeelden van geïntegreerde intensiteit rond atoomaire kolommen. ω-2θ (0 0 4) XRD-spectra werden opgemeten op een Bruker D8 Discover diffractometer (Cu-Kα₁) en gesimuleerd met Bede Rads Mercury.

Resultaten en discussie

Figuur 1 toont laag-vergrotende HAADF-STEM-afbeeldingen van de [110] zone-as voor monsters S1 (a) en S2 (b), samen met dikte-gradiënt-gecorrigeerde intensiteitsprofielen (groene rechthoeken). Geen threading-dislocaties of stapelfouten werden gedetecteerd. In HAADF is intensiteit evenredig met het gemiddelde atoomnummer; dus helderdere regio's duiden op hogere Bi-inhoud (Z_Bi = 83, Z_Ga = 31, Z_As = 33). Monster S1, met lagere Bi, toont geen uitgesproken contrastvariaties, terwijl monster S2 regelmatig verdeelde heldere vlekken langs de GaAsBi-laag en interfaces vertoont, geïnterpreteerd als Bi-rijke clusters. Deze clusters zijn ingesloten in de laag, bevestigd door lage-spanning SEM-topografie die overeenkomt met de STEM-afbeeldingen.

Intensiteitsprofielen (Fig. 1c) onthullen vergelijkbare laagdiktes (~140 nm) voor beide monsters. De GaAsBi/GaAs-interface toont een geleidelijke intensiteitsdaling over ~10 nm, wat Bi-incorporatie in de GaAs-kap impliceert zelfs zonder Bi-flux. In het lage-Bi monster (S1) is de interface scherper dan in S2, wat een hogere Bi-incorporatiecoëfficiënt bij lagere Bi-flux suggereert, consistent met kinetisch-beperkte groei.

STEM-EDX-karteringen (Fig. 2) bevestigen de HAADF-waarnemingen. Het gemiddelde Bi-atoomfractie was 1,2 ± 0,4 % in S1 en 5,3 ± 0,4 % in S2, wat non-uniforme Bi-distributie bevestigt. Bi-clusters ontstaan uit sterische hinder; grotere Bi-atomen belemmeren Ga-incorporatie, wat vacatures creëert en leidt tot Bi-segregatie. EDX-elementaire kaarten van een cluster (Fig. 2b) tonen gelijktijdige dalingen in Ga- en As-signalen waar Bi hoog is, wat aangeeft dat Bi zowel groep-III als groep-V posities bezet.

Hoog-vergrotende HAADF-STEM-afbeeldingen in de [110]-projectie werden geanalyseerd met qHAADF. Geïntegreerde intensiteiten van groep-V kolommen werden vergeleken met die van bulk GaAs om de verhouding R = I_As-Bi/I_As te verkrijgen. Figuur 3a toont de interface voor S1; de R-kaart (Fig. 3b) toont waarden variërend van 1,00 tot 1,27, wat een 27 % Bi-verrijking in de hoogste-intensiteit kolommen aangeeft. De variantiecoëfficiënt (Cv) was 1,3 % in de GaAs-substraat, 2,6 % in de GaAsBi-laag en 2,6 % in de kap, wat Bi-gerelateerde samenstellingsfluctuaties weerspiegelt.

Voor monster S2 onthult HAADF-STEM ≈ 12 nm equiaxiale clusters uniform verdeeld in de GaAsBi-laag en aan interfaces (Fig. 4a). Laag-doorlaatfiltering (Fig. 4b) benadrukt {111} en (001) facetten. De clusters bestaan uit een Bi-rijk kern (≈ 30 % Bi) omringd door een lager-Bi-schil, vergelijkbaar met waarnemingen in GaAs_1-xBi_x/GaAs_1-yBi_y multilagen. qHAADF-kartering (Fig. 4c) toont een uitgesproken Bi-gradient piekend in het clustercentrum. FFT-analyse van geselecteerde regio's (Fig. 4d) onthult additionele {102} spots toeschrijfbaar aan rhomboedrische Bi (rh-Bi) genucleerd in de zincblende-matrix, wat fasecoëxistentie en lokale spanningsontspanning aangeeft.

XRD ω-2θ scans (Fig. 5) tonen scherpe GaAs-substraatpiek en bredere GaAsBi-pieken op negatieve hoeken, wat spanning aangeeft. In S2 duidt een schouder op de GaAs-piek op trekspanning in de kap, wat partiële ontspanning van de GaAsBi-laag bevestigt. Simulaties gebaseerd op EDX- en HAADF-gegevens (5,8 % Bi) passen de XRD-kromme redelijk voor S1, maar voor S2 vereist de aanwezigheid van Bi-rijke clusters een hogere gemiddelde Bi-inhoud (~6 %) om de waargenomen piekposities te matchen, wat de HAADF-STEM-bevindingen bevestigt.

Conclusies

Aberratie-gecorrigeerde HAADF-STEM, aangevuld met qHAADF, FFT en XRD, biedt een uitgebreid beeld van Bi-distributie in GaAs/GaAs_1-xBi_x/GaAs heterostructuren. Lage-Bi-monsters vertonen scherpe interfaces met geringe Bi-segregatie, terwijl hoge-Bi-monsters ≈ 10–12 nm equiaxiale Bi-rijke clusters vormen door de gehele matrix. Deze clusters bevatten zowel rhomboedrische Bi als zincblende-fasen, wat lokale roosterontspanning en partiële spanningsverlichting induceert. De waargenomen Bi-segregatie en fasecoëxistentie zijn cruciale parameters voor het afstemmen van de optische en elektronische eigenschappen van GaAsBi-gebaseerde apparaten.