In-plan elektrisch transport van InAs/GaSb midden- en lang-golf infrarood superlattices gegroeid op GaAs door moleculaire bundel epitaxie

Samenvatting

In het huidige werk rapporteren we over de in-plan elektrische transporteigenschappen van middengolf (MWIR) en langgolf infrarood (LWIR) InAs/GaSb type-II superlattices (T2SLs) gegroeid door moleculaire bundel epitaxie (MBE) systeem op GaAs (001) substraat. De enorme roostermismatch tussen de T2SL en GaAs-substraat wordt verminderd door de groei van een GaSb-bufferlaag gebaseerd op interfaciale misfit-array (IMF) techniek. Om de spanning in de InAs/GaSb T2SL te compenseren, gebruikten we een speciale sluiter-sequentie om InSb-achtige en GaAs-achtige interfaces te verkrijgen. Het is gevonden dat de MWIR InAs/GaSb T2SL een p- en n-type geleiding vertoont bij lage en hoge temperaturen, respectievelijk. Interessant is dat de geleidingsveranderingstemperatuur afhangt van de groeitemperatuur. Aan de andere kant, LWIR T2SL geleiding wordt gedomineerd door alleen elektronen. Het is belangrijk te noteren dat het dominante verstrooiingsmechanisme in LWIR T2SL bij lage temperaturen het interface-ruwheids-verstrooiingsmechanisme is.

Achtergrond

Sinds InAs/GaSb T2SL geconceptualiseerd is door Sai-Halasz et al. in 1977, is grote aandacht besteed aan het onderzoek van dit halfgeleidermateriaal. Fotodetectoren gebaseerd op deze T2SL presenteren theoretisch hoger potentieel dan kwikzink-telluride (HgCdTe) en state-of-the-art infrarood-materiaalsystemen voor de volgende generatie infrarood (IR) toepassingen. Interessant is dat InAs/GaSb T2SL een ongebruikelijke type-II gebroken-gap band-opstelling vertoont waar de InAs geleidingsband-minimum 140 meV lager ligt dan de GaSv valentieband-top. Gevolgelijk hangt de fundamentele overgang tussen de zware-gat-subbanden en de geleidingsband-bodem af van de dikte van de InAs- of GaSb-laag. Het belangrijkste voordeel van deze opstelling is de reductie van de Auger-recombinatiesnelheid dankzij de onderdrukking van sommige niet-stralende paden in de valentieband. Daarnaast wordt band-tot-band tunneling significant verminderd door de grote effectieve massa's (≈ 0,04 m₀) van elektronen en gaten. Deze twee kenmerken mogelijk maken de reductie van de donkere stroom, wat leidt tot de hoge-werkingtemperatuur (HOT) van de fotodetector.

InAs/GaSb T2SL is traditioneel gegroeid op rooster-gematcheerde GaSb-substraat. Echter, deze is duur en beschikbaar in kleine formaten minder dan 3 inch, wat de realisatie van groot-formaat focale-vlak-arrays (FPAs) belemmert. Bovendien zijn GaSb-substraten niet "epi-klaar" en hun groeioppervlakken bevatten veel macroscopische defecten. Verder is de absorptiecoëfficiënt relatief hoog in GaSb-substraat (≈ 100 cm⁻¹) voor IR-straling boven 5 µm. Vanwege de talloze voordelen is GaAs voorgesteld als een haalbare kandidaat voor de groei van InAs/GaSb T2SL. Inderdaad, ze zijn "epi-klaar," kostenefficiënt, en beschikbaar in grote formaten tot 6 inch. Bovendien heeft GaAs een absorptiecoëfficiënt twee ordes van grootte lager dan die van GaSb. Helaas bestaat een enorme roostermismatch (~ 7,5%) tussen GaAs en InAs/GaSb T2SL wat resulteert in hoge misfit-dislocatiedichtheid (10⁹ cm⁻²). Daarom is het verplicht om nieuwe groeitechnieken te bedenken om de spanning te verlichten en de dislocatiedichtheid te verlagen. Onder deze technieken zijn lage-temperatuur-nucleatie en IMF-techniek.

Om de prestaties van fotodetectoren gebaseerd op InAs/GaSb T2SL te verbeteren, is een beter begrip van fundamentele parameters nodig. Een van deze parameters is de achtergrond-dragerconcentratie die geassocieerd is met de minderheidsdrager-levensduur en diffusielengtes. Het is de moeite waard om te noteren dat InAs en GaSb bulk-materialen tegengestelde polariteit van dragerconcentratie hebben. InAs en GaSb materialen gegroeid met moleculaire bundel epitaxie (MBE) zijn residueel n- en p-type, respectievelijk. Gevolgelijk wordt de geleiding van de InAs/GaSb T2SL voorspeld afhankelijk te zijn van de dikte van elk bestanddeel.

In dit papier onderzoeken we de in-plan transporteigenschappen van 10 ML InAs/10 ML GaSb en 24 ML InAs/7 ML GaSb T2SLs gewijd aan detectie in MWIR en LWIR regio's, respectievelijk, gegroeid op half-geleidende GaAs (001) substraten. Deze studie wordt bereikt door het uitvoeren van een temperatuur-afhankelijke Hall-effect-meting met de Van der Pauw-methode. Daarnaast wordt de invloed van de groeitemperatuur op de geleiding van de InAs/GaSb T2SL gepresenteerd.

Methoden

InAs/GaSb T2SL-monsters zijn gegroeid op half-geleidende GaAs (001) substraten in een RIBER Compact 21-DZ vaste-bron MBE-systeem. Dit systeem is uitgerust met standaard effusiecellen voor groep III-elementen (indium (In) en gallium (Ga)) en gekraakte cellen voor groep V-materialen (arsenic (As) en antimon (Sb)). De kraker-temperaturen werden gehouden op 900 °C voor zowel As als Sb om As₂ en Sb₂ te produceren, respectievelijk. De manipulator-thermocouple (TC) en BandiT (BT) worden gebruikt om de groeitemperatuur te monitoren. Deze is gekalibreerd vanuit de GaAs-oxide-desorptietemperatuur. Na de deoxidatie van GaAs-substraten bij 610 °C (gemeten door BT), werd een 250-nm-dikke GaAs-laag gedeponeerd bij 585 °C (BT) om een glad startoppervlak te krijgen. Vervolgens werd een 1-µm-dikke GaSb-bufferlaag gegroeid met IMF-techniek bij een BT-temperatuur van 440 °C. Deze techniek bestaat uit de vorming van een periodieke array van 90° misfit-dislocaties aan de GaAs/GaSb-interface leidend tot een lage dislocatiedichtheid (≈ 10⁶ cm⁻²). Na de groei van de GaSb-bufferlaag kan de BT niet meer gebruikt worden door emissiviteitsveranderingen, oppervlakteruwheid, en extra stralingsabsorptiemechanismen. Dus wordt de groeitemperatuur van de InAs/GaSb T2SL alleen gecontroleerd door de TC. MWIR 10 ML InAs/10 ML GaSb T2SLs worden gegroeid bij verschillende substraattemperaturen, 330, 390, en 400 °C (TC) om de invloed van de groeitemperatuur op de transporteigenschappen te onderzoeken. Aan de andere kant, LWIR 24 ML InAs/7 ML GaSb T2SL is gedeponeerd bij slechts 390 °C. Om de spanning tussen InAs en GaSb te compenseren, werd een speciale sluiter-sequentie gebruikt, die gerapporteerd is om betere structurele kwaliteit te leiden, als volgt: groei van InAs werd gevolgd door Sb-weking van 8 s om InSb-achtige bindingen te vormen, terwijl GaSb-groei werd gevolgd door 2 s As-weking om GaAs-achtige interface te groeien. De V/III flux-verhouding is 8,3 en 4,6 voor InAs en GaSb, respectievelijk. Bovendien is de groeisnelheid 0,5 ML/s voor zowel InAs als GaSb. De groei werd in situ gemonitord door reflectie hoge-energie elektrondiffractie (RHEED) systeem.

De gegroeide monsters zijn beoordeeld door hoge-resolutie Röntgendiffractie (HRXRD) van PANalytical X'Pert om de structurele eigenschappen te onderzoeken. De Cu Kα₁ straling (λ ≈ 1,5406 Å) afkomstig van een lijndfocus en een viervouws Ge (004) monochromator zijn gebruikt. De transporteigenschappen werden geëvalueerd door Hall-effect-metingen met de Van der Pauw-methode in een ECOPIA-systeem, met een temperatuurbereik van 80–300 K. Metingen werden uitgevoerd op vierkante monsters van 6 × 6 mm²; contact werd gemaakt door indium-stippels in elk hoekje. Een magneetveld van 0,4 T werd normaal op de monsters toegepast.

Resultaten en discussie

Figuur 1 illustreert de gemeten en gesimuleerde HRXRD 2θ-ω scankrommen van de symmetrische (004) reflectie voor de MWIR en LWIR InAs/GaSb T2SLs. De simulatie wordt uitgevoerd door de "Epitaxie" software geleverd door PANalytical X'Pert. Zoals te zien is, zijn er goed-opgeloste satellieten met een orde tot 4 voor MWIR T2SL en tot 7 voor LWIR. Dit wijst op de hoge structurele kwaliteit van de gegroeide lagen, vooral voor LWIR T2SL. Aan de andere kant, de volle breedte op halve maximum (FWHM) van de nulde-orde piek gemeten in ω-2θ richting is 107 en 99 boogseconden voor MWIR en LWIR T2SLs, respectievelijk. De superlattice-periode (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 T2SLs. Experimentele (zwarte lijn) en gesimuleerde (rode lijn) HRXRD 2θ-ω scans voor de (004) reflectie van a MWIR T2SL; er zijn goed-opgeloste satellieten met een orde tot 4, wat kenmerkend is voor goede kwaliteit van superlattice. De FWHM van de nulde-orde piek is 107 boogseconden, b en LWIR InAs/GaSb T2SLs; 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 elke superlattice wordt berekend uit de afstand tussen aangrenzende satellieten

$$ L=\lambda /\left(2\times \Delta \theta \times \mathit{\cos}{\theta}_{SL}\ \right) $$ (1)

waarbij λ de golfengte van de incident X-stralingsbundel is zoals eerder genoemd en θ_SL de Bragg-hoek van de nulde-orde piek van de superlattice. Uit Fig. 1 is de periode van de MWIR en LWIR T2SLs 6,74 ± 0,01 en 10,24 ± 0,02 nm, respectievelijk. Door de gemeten kromme aan te passen met de gesimuleerde, wordt de samenstelling van één periode van MWIR T2SL als volgt gevonden: 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-orde piek en de GaSb-bufferlaag is 8,9 × 10⁻³ en 4,5 × 10⁻³ voor MWIR en LWIR T2SLs, respectievelijk. Figuur 2 presenteert de asymmetrische (115) wederzijdse ruimtekaart (RSM) voor de gegroeide T2SLs. In beide monsters zijn de satellieten van de superlattices en de GaSb-piek verticaal uitgelijnd (ze hebben dezelfde component van de verstrooiingsvector Q_x), wat leidt tot de conclusie dat beide T2SLs praktisch volledig gespannen zijn.

Asymmetrische 115 RSM van a MWIR en b LWIR InAs/GaSb T2SLs. De wederzijdse ruimtekaart voor de asymmetrische reflectie (115) van a MWIR en b LWIR InAs/GaSb T2SLs. De pieken in beide superlattices zijn verticaal uitgelijnd (ze hebben dezelfde waarde van de verstrooiingsvector Q_x). Daarom zijn de twee superlattices voor MWIR en LWIR praktisch volledig gespannen

De in-plan elektrische parameters van de gegroeide MWIR InAs/GaSb T2SLs worden geïllustreerd in Fig. 3. Zoals te zien is, vertoont de onbedoeld gedopeerde InAs/GaSb T2SL een reproduceerbare verandering in geleidingstype. Ondanks de invloed van de GaSb-bufferlaag (p-type) op de Hall-effect-metingen, moet opgemerkt worden dat de verandering in geleidingstype alleen door de T2SL-laag veroorzaakt wordt. Deze verandering werd ook gerapporteerd door diverse groepen. De T2SL vertoont p-type geleiding onder de temperatuur waarop de verandering optreedt (T_ch) en n-type geleiding boven T_ch. Zoals eerder vermeld, vertonen de InAs- en GaSb-lagen n-type en p-type geleiding, respectievelijk. Daarom wordt de residuele achtergrond van de InAs/GaSb T2SL met vergelijkbare dikte voor de twee bestanddelen geïnduceerd door de meerderheidsdrager-compensatie van de binaire bestanddelen van de T2SL. Voor de waarde van T_ch, rapporteerde Mohseni et al. een waarde van 140 K, Christol et al. kregen een waarde van 190 K, terwijl Khoshakhlagh et al. een waarde van 200 K aanhaalde. Het gedrag van de vlek-dragerconcentratie en mobiliteit wordt bepaald door de bekende intrinsieke fonon-verstrooiingsmechanismen (akoestisch, piezo-elektrisch, polair, en niet-polair optisch). Uitzonderlijk neemt de Hall-mobiliteit toe met toename van de temperatuur boven T_ch (Fig. 3b); dit is waarschijnlijk door de geïoniseerde vallen door de InSb-interface bij de GaSb-op-InAs-interface. T_ch waarde is 145, 195, en 225 K, voor de T2SL gegroeid bij 330, 390, en 400 °C, respectievelijk (Fig. 3); dit is waarschijnlijk door de hoge gatconcentratie bij hogere groeitemperatuur, wat de T_ch naar lagere temperatuur verschuift. De hoge gatconcentratie is door defecten en geïoniseerde vacatures bij hoge groeitemperatuur. De InAs/GaSb T2SL gegroeid bij 390 °C wordt gekenmerkt door een dragerconcentratie van 1,8 × 10¹⁶ en 2,5 × 10¹⁶ cm⁻³ bij 80 en 300 K, respectievelijk. Dit resultaat is beter dan dat gerapporteerd door Mohseni et al. (Hall-concentratie varieert van 1,5 tot 4 × 10¹⁷ cm⁻³) en praktisch hetzelfde als dat gerapporteerd door Christol et al. (Hall-concentratie van 1,6 × 10¹⁶ en 6 × 10¹⁶ cm⁻³ bij 100 en 300 K, respectievelijk). Aan de andere kant, de Hall-mobiliteit is 1300 (p-type) en 3200 cm²/V s (n-type), bij 80 en 300 K, respectievelijk. De bereikte mobiliteit is veel hoger dan die gerapporteerd door Christol et al., die een Hall-mobiliteit van 100 en 1800 cm²/V s bij 100 en 300 K, respectievelijk, kreeg.

a Hall-concentratie en b Hall-mobiliteit van MWIR InAs/GaSb T2SL gegroeid bij verschillende temperaturen. De elektrische parameters van de MWIR InAs/GaSb T2SLs gegroeid bij verschillende temperaturen. a Hall-concentratie: de drie T2SLs vertonen een verandering van geleiding. Ze zijn p-type bij lage temperaturen en n-type bij hoge temperaturen. b Hall-mobiliteit: er zijn twee regio's voor de mobiliteitstendens. Voor lage temperatuur daalt de mobiliteit door de verschillende verstrooiingsmechanismen. Voor hoge temperaturen neemt de mobiliteit toe met toename van de temperatuur, wat verklaard kan worden door de geïoniseerde vallen in InSb-achtige interface. De temperatuur waarop de geleidingsverandering optreedt neemt toe wanneer de groeitemperatuur toeneemt, wat te wijten is aan de hoge defectniveaus bij hogere temperaturen

De resistiviteit van de drie verschillende monsters wordt getoond in Fig. 4. Het kan opgemerkt worden dat de resistiviteit en temperatuur twee goed-gedefinieerde hellingen hebben. Voor elk monster kunnen twee thermische activeringsenergieën geëxtraheerd worden uit de Arrhenius-wet. Voor de n-type regio is de activeringsenergie E_an 58, 72, en 68 meV voor de T2SL gegroeid bij 330, 390, en 400 °C, respectievelijk. Terwijl voor de p-type regio, E_ap is gelijk aan 7, 12, en 14 meV, voor de InAs/GaSb T2SL gedeponeerd bij 330, 390, en 400 °C, respectievelijk. Voor lage temperaturen (onder T_ch), toont de T2SL p-type door p-type dragers geassocieerd met E_ap die de dragergeneratie- en recombinatiemechanismen domineren. Voor temperaturen boven T_ch, vertoont de T2SL n-type geleiding door de activering van diep-niveau dragers geassocieerd met hoge activeringsenergie E_an. De bron van deze diepe niveaus is de ondiepe niveaus in de bulk InAs die het resultaat is van de band-opstelling tussen InAs en InAs/GaSb T2SL en die fungeren als diepe niveaus in de InAs/GaSb T2SL.

Hall-resistiviteit van de MWIR InAs/GaSb T2SL gegroeid bij a 330 °C, b 390 °C, en c 400 °C. De Hall-resistiviteit van de MWIR InAs/GaSb T2SL gedeponeerd bij verschillende groeitemperaturen, a 330 °C, b 390 °C, en c 400 °C. Voor elk grafiek zijn er twee goed-gedefinieerde hellingen. Uit de Arrhenius-wet kunnen twee thermische energiëën geëxtraheerd worden, wat het bestaan van twee onzuiverheidsniveaus bevestigt. Een vertegenwoordigt de n-type dragers, en de tweede correspondeert met de p-type dragers. Diepe onzuiverheidsniveau geassocieerd met de n-type dragers is het resultaat van de band-opstelling tussen InAs en InAs/GaSb T2SL

De Hall-concentratie, mobiliteit, en resistiviteit van de LWIR InAs/GaSb T2SL worden gepresenteerd in Fig. 5. In tegenstelling tot de MWIR T2SL, is er geen verandering van geleidingstype in het geval van dit monster. Deze T2SL vertoont n-type geleiding. De invloed van de p-type GaSb-buffer (lage-mobiliteit dragers) laag op de Hall-effect-metingen voor deze n-type T2SL (hoge-mobiliteit dragers) is verwaarloosbaar, aangezien de Hall-mobiliteit evenredig is met de dragers-mobiliteit gekwadrateerd. Khoshakhlagh et al. rapporteerden hetzelfde resultaat voor 13 ML InAs/7 ML GaSb T2SL. Bovendien wees Szmulowicz et al. erop dat LWIR T2SL, waarin de InAs-laag dikker is dan GaSb, neigt om n-type te zijn. Deze n-type geleiding is te wijten aan de grote dikte van de InAs-laag (residueel n-gedopeerd) vergeleken met die van GaSb. Deze n-type dragers zijn geassocieerd met een activeringsenergie van 33 meV (Fig. 5b). Het gedrag van de Hall-concentratie en mobiliteit is typisch voor n-type halfgeleiders, behalve het temperatuurbereik onder 95 K, waar de dragerconcentratie en mobiliteit bijna temperatuuronafhankelijk zijn. Dit is een indicatie van het bestaan van een temperatuuronafhankelijk verstrooiingsmechanisme in deze temperatuurregio. Dit laatste wordt aangetoond als het interface-ruwheids-verstrooiingsmechanisme (IRS). Dit mechanisme is dominant bij lage temperatuur, waar de fonon-verstrooiing bevroren is. IRS-mechanisme is door het bestaan van interfaces, alsmede de variatie van de laagdiktes, wat resulteert in de variatie van de elektronische energieniveaus; daarom fungeren ze als bron van drager-verstrooiing. Bovendien is de Hall-mobiliteit gedomineerd door het IRS-mechanisme evenredig met de zesde macht van de InAs-dikte (μ ∝ d_InAs^6,2).

a Hall-concentratie, Hall-mobiliteit, en b Hall-resistiviteit van onbedoeld gedopeerde LWIR InAs/GaSb T2SL. De transporteigenschappen van de LWIR InAs/GaSb T2SL. a Hall-concentratie en mobiliteit: deze superlattice vertoont alleen n-type geleiding voor het gehele temperatuurbereik. De Hall-concentratie neemt toe met toename van de temperatuur wat veroorzaakt wordt door ionisatie-effecten. Aan de andere kant, het Hall-mobiliteitsgedrag wordt 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 het bestaan van een ander verstrooiingsmechanisme bevestigt dat temperatuuronafhankelijk is. Dit laatste is het interface-ruwheids-mechanisme. b Hall-resistiviteit: uit de Arrhenius-wet is er slechts één thermische energie geassocieerd met één onzuiverheidsniveau

Conclusies

Samengevat, InAs/GaSb T2SLs zijn gegroeid op GaAs-substraat met GaSb-bufferlaag gebaseerd op IMF-techniek. Bovendien zijn deze T2SLs gedemonstreerd voor MWIR en LWIR detectieregio's. Het is gevonden dat MWIR T2SL een verandering in geleidingstype vertoont, van p- naar n-type naarmate de temperatuur toeneemt. Verder neemt de temperatuur waarop de verandering optreedt toe naarmate de groeitemperatuur van de T2SLs toeneemt. Deze geleidingsverandering wordt toegeschreven aan het bestaan van twee onzuiverheidsniveaus met twee verschillende activeringsenergieën. Aan de andere kant, de LWIR InAs/GaSb T2SL geleiding is gedemonstreerd als n-type voor het gehele temperatuurbereik. Naast de conventionele verstrooiingsmechanismen, is het IRS-mechanisme bewezen als het dominante verstrooiingsmechanisme bij lage temperaturen. Deze resultaten mogelijk maken een beter begrip van de fysieke eigenschappen van de InAs/GaSb T2SL, wat leidt tot verbetering van IR-fotodetector-prestaties gebaseerd op dit materiaal.

Afkortingen

BT:

BandiT

FPAs:

Focale-vlak-arrays

FWHM:

Volledige breedte op halve maximum

HOT:

Hoge werktemperatuur

HRXRD:

Hoge-resolutie Röntgendiffractie

IMF:

Interfaciale misfit-array

IR:

Infrarood

IRS:

Interface-ruwheids-verstrooiing

LWIR:

Langgolf infrarood

MBE:

Moleculaire bundel epitaxie

MWIR:

Middengolf infrarood

RHEED:

Reflectie hoge-energie elektrondiffractie

RSM:

Wederzijdse ruimtekaart

T2SL:

Type-II superlattice

TC:

Thermocouple