Crescimento Epitaxial de Filmes Finos SrGe₂ de Alta Qualidade em Substratos Ge via Epitaxia por Deposição Reativa

Resumo

Semicondutor digermaneto estrôncio (SrGe₂) exibe grande coeficiente absorção no infravermelho próximo, tornando-o material atraente para células solares multijunção. Neste estudo, reportamos primeira síntese filmes finos SrGe₂ em substratos Ge (100), (110) e (111) usando epitaxia por deposição reativa (RDE). Demonstramos que morfologia filme é altamente sensível a temperatura substrato (300–700 °C) e orientação cristalográfica. Filme SrGe₂ mono-orientado obtido em Ge(110) a 500 °C, oferecendo caminho integrar SrGe₂ em dispositivos fotovoltaicos filme fino alta eficiência.

Introdução

Silicetos terra alcalina longamente atraíram interesse para aplicações em células solares, termoelétricos e optoeletrônicos. Embora germanietos menos explorados, previsões teóricas sugerem possuem características elétricas e ópticas promissoras. SrGe₂, germaneto terra alcalina representativo, cristaliza em estrutura ortorrômbica tipo BaSi₂ (grupo espaço: Pnma, nº 62, Z = 8). É semicondutor banda proibida indireta com gap ~0,82 eV e coeficiente absorção 7,8 × 10⁵ cm⁻¹ a 1,5 eV — maior que Ge (4,5 × 10⁵ cm⁻¹) — tornando-o ideal para célula inferior arquiteturas tandem. Fabricação filme fino em substratos arbitrários poderia permitir células solares tandem alta eficiência, baixo custo.

Nosso trabalho prévio produziu com sucesso filmes finos BaSi₂ alta qualidade em substratos Si (111) e Si (001) via método dois passos: epitaxia por deposição reativa (RDE) seguida por epitaxia feixe molecular (MBE). Filmes BaSi₂ (100) resultantes exibiram longas vidas minoritárias portadores e grandes comprimentos difusão, levando a eficiência conversão 9,9% em célula solar heterojunção p-BaSi₂/n-Si — a mais alta já reportada para silicetos semicondutores. Motivados por estas conquistas e estrutura cristalina análoga SrGe₂, aplicamos abordagem RDE/MBE a SrGe₂ em substratos Ge.

Experimental

Sistema epitaxia feixe molecular (MBE) (pressão base 5 × 10⁻⁷ Pa) equipado com célula Knudsen padrão para Sr e fonte evaporação feixe elétrons para Si foi empregado. Sr depositado sobre substratos Ge (100), (110) e (111) a temperaturas substrato (T_sub) variando 300 a 700 °C. Antes deposição, wafers Ge limpos com solução HF 1,5% por 2 min seguida solução HCl 7% por 5 min. Parâmetros deposição: 0,7 nm min⁻¹ por 120 min em Ge(001), 1,4 nm min⁻¹ por 30 min em Ge(011), e 1,3 nm min⁻¹ por 60 min em Ge(111). Após deposição Sr, camada Si amorfa 5 nm depositada em temperatura ambiente proteger superfície reativa Sr-Ge oxidação. Cristalinidade filme avaliada via difração elétrons alta energia reflexão (RHEED) e difração raios X (XRD; Rigaku Smart Lab, radiação Cu Kα). Morfologia superfície examinada por microscopia eletrônica varredura (MEV; Hitachi SU-8020) e microscopia eletrônica transmissão (MET; FEI Tecnai Osiris, 200 kV) equipada com espectroscopia raios X dispersiva energia (EDX) e STEM campo escuro anular alto ângulo (HAADF-STEM) (diâmetro sonda ~1 nm).

Resultados e Discussão

Figura 1 exibe padrões RHEED e θ-2θ XRD para todas amostras após deposição Sr. Padrões RHEED estriados ou pontilhados confirmam crescimento epitaxial compostos Sr-Ge. Para substratos Ge(100), picos Sr₅Ge₃ aparecem em todas temperaturas, enquanto SrGe emerge apenas 600–700 °C. SrGe₂ detectado apenas a 300 °C, resultando SrGe₂ [100] preferencial e Sr₅Ge₃ [220] orientado. Temperaturas maiores aumentam sinal substrato Ge(200), indicando cobertura Sr-Ge aumentada.

Em Ge(110), apenas picos SrGe₂ (411) e substrato observados 300–600 °C. Amostra 500 °C mostra maior intensidade SrGe₂ (411), significando filme SrGe₂ mono-composição, altamente orientado. Substratos Ge(111) produzem picos SrGe₂ em todas temperaturas: SrGe₂ [110] orientado a 300, 400, 500 e 700 °C, com picos largos 300 e 400 °C; SrGe₂ multi-orientado a 500 e 600 °C; e Sr₅Ge₃ (220) menor a 400, 500 e 700 °C. Estas morfologias refletem interjogo entre energia superfície substrato e balanço fluxo Sr/Ge.

Figura 2 revela que a 300 °C superfície amplamente coberta compostos Sr-Ge. A 400–600 °C, padrões distintos refletindo simetria substrato aparecem: dois-dobras para Ge(100), um-dobra para Ge(110), e três-dobras para Ge(111). Tal simetria característica crescimento epitaxial Sr-Ge em substratos Si e corrobora observações RHEED. A 700 °C, padrões pontilhados sugerem migração ou evaporação rápida Sr devido alta temperatura. Estes resultados explicam padrões RHEED estriados ou pontilhados na Fig. 1.

Examinamos amostra Ge(110) crescida a 500 °C em detalhe. Camada Si amorfa 100 nm protegeu filme oxidação. HAADF-STEM e mapeamento EDX confirmam composto Sr-Ge cobre quase toda superfície. HAADF-STEM ampliado mostra camada Sr-Ge infiltra substrato Ge, marca registrada crescimento RDE. Varredura composicional linha revela razão 1:2 Sr:Ge, confirmando formação SrGe₂. Estas observações corroboram dados XRD e RHEED.

Imagens campo claro e campo escuro MET revelam SrGe₂ epitaxialmente alinhado com substrato Ge mas exibe duas orientações no plano. Imagem rede mostra dois domínios SrGe₂ (A e B) separados por contorno grão. Padrão SAED confirma coexistência ambos domínios, cada um com planos Ge(111) paralelos a planos SrGe₂ (220). Nenhuma discordância ou falha empilhamento observada além contorno grão, indicando alta qualidade cristalina. Assim, crescimento RDE em Ge(110) produz filmes SrGe₂ livres defeitos.

Conclusões

Fabricamos com sucesso filmes finos SrGe₂ em substratos Ge usando epitaxia por deposição reativa. Morfologia filme altamente dependente temperatura substrato e orientação cristalográfica. Enquanto Ge(100) e Ge(111) produzem SrGe₂ multi-orientado ou fases Sr-Ge secundárias, Ge(110) produz filme SrGe₂ mono-orientado, livre defeitos a 500 °C. Análise MET confirma ausência discordâncias interfaciais, ressaltando alta qualidade cristalina filmes. Trabalho em andamento foca caracterizar propriedades elétricas e ópticas e estender abordagem substratos Si e vidro para incorporação em camadas absorção infravermelho próximo células solares multijunção.

Abreviações

EDX:

Espectrômetro raios X dispersivo energia

HAADF-STEM:

Microscopia eletrônica transmissão varredura campo escuro anular alto ângulo

MBE:

Epitaxia feixe molecular

RDE:

Epitaxia por deposição reativa

RHEED:

Difração elétrons alta energia reflexão

MEV:

Microscopia eletrônica varredura

MET:

Microscopia eletrônica transmissão

T_sub:

Temperatura substrato

XRD:

Difração raios X