Engenharia de Filmes Finos GeBi do Tipo n por Epitaxia de Feixe Molecular: Controle Cristalino e Desempenho Óptico no Infravermelho/THz

Resumo

Ligas de germânio-bismuto (Ge_1‑xBi_x) surgiram como semicondutores infravermelhos promissores devido ao seu bandgap ajustável e alta mobilidade de portadores. Neste estudo, relatamos o crescimento em baixa temperatura por epitaxia de feixe molecular (MBE) de filmes finos de GeBi do tipo n com frações de Bi variando de 2% a 22,2%. Análises estruturais abrangentes por difração de raios X (XRD), microscopia eletrônica de varredura (SEM) e microscopia de força atômica (AFM) confirmam a incorporação bem-sucedida de Bi e a evolução da orientação cristalográfica de (014) para (012) à medida que o teor de Bi aumenta. Medidas ópticas revelam que a dopagem com Bi reduz a reflectância, aumenta a transmitância na banda do infravermelho próximo (NIR) e estende o comprimento de onda de corte para 2,3 µm, cobrindo tanto a banda C quanto a banda L. Espectroscopia de terahertz (THz) mostra que a incorporação moderada de Bi diminui a transmitância THz, permitindo resposta THz ajustável. Estes resultados posicionam filmes de GeBi como materiais versáteis para dispositivos fotônicos infravermelhos e THz.

Introdução

A expansão do multiplexamento por divisão densa de comprimento de onda (DWDM) para a banda L (1,56–1,62 µm) exige detectores optoeletrônicos que operem em toda a faixa de 1,44–1,93 µm. Ligas baseadas em Ge existentes, como GeSi e GeSn, atingiram comprimentos de onda de corte até 1,6 µm, deixando a barreira de 2 µm não atendida para aplicações em sensoriamento no infravermelho médio e comunicação de espaço livre.

O GeBi oferece uma alternativa atraente: ao ligar Bi na rede de Ge, o bandgap pode ser projetado para comprimentos de onda maiores preservando a condutividade do tipo n. Trabalhos anteriores em GeSn e GeBi mostraram potencial para detectores de alto desempenho na faixa de 1,3–1,6 µm, mas o comprimento de onda de corte permanece limitado. Este estudo demonstra que filmes de GeBi crescidos por MBE podem atingir corte de 2,3 µm, efetivamente preenchendo a lacuna entre detecção na banda C e banda L.

Procedimentos Experimentais

Filmes de GeBi foram depositados em wafers de Si tipo p (100) usando uma câmara MBE personalizada operada a pressão base de 4 × 10⁻⁹ a 5 × 10⁻¹⁰ Torr. Ge e Bi foram obtidos de células de efusão aquecidas a 1200 °C e 400–550 °C, respectivamente, para alcançar razão de fluxo controlada. A temperatura do substrato foi mantida a 150 °C, resultando em taxas de crescimento entre 1,66 e 2,50 nm min⁻¹. Parâmetros detalhados de crescimento estão tabelados na Tabela 1.

Caracterização estrutural empregou XRD de incidência rasante, SEM (JMS6490LV, JEOL), AFM (300 HV, SEIKO) e espectroscopia Raman (LabRAM HR, Edinburgh Instruments). Absorção e transmitância ópticas foram medidas com espectrômetro Lambda 75 UV/VIS/NIR e espectrômetro de transformada de Fourier no infravermelho distante. Transmissão THz foi obtida via espectroscopia de domínio temporal (THz-TDS).

Resultados e Discussão

Análise XRD
A Figura 1 mostra que todas as amostras exibem picos de difração claros de GeBi. Em baixo Bi (x = 0,020), o filme está orientado ao longo de (014). À medida que o Bi aumenta para x = 0,102, o pico (104) diminui enquanto o pico (012) emerge. Para x ≥ 0,183, a orientação (012) domina, indicando uma reorientação impulsionada por tensão devido à maior constante de rede do Bi.

Morfologia SEM
A Figura 2 ilustra a evolução da superfície. A 2% Bi, o filme é liso (Fig. 2a). A 10,2% Bi, pontos isolados ricos em Bi (33–42 nm) aparecem (Fig. 2b). Além de 18,3% Bi, fases secundárias (Bi amorfo, Ge) coexistem com a fase primária GeBi, e tamanhos de grão atingem ~1 µm (Fig. 2c,d). Bi em excesso além do limite de solubilidade se segrega nas fronteiras de grão, criando rugosidade superficial.

Rugosidade Superficial AFM
A Figura 3 mostra topografias AFM. A rugosidade quadrática média (RMS) aumenta acentuadamente com Bi, atingindo ~15 nm a 20,3% Bi. O aumento de rugosidade é consistente com a segregação de Bi observada em SEM.

Espectroscopia Raman
A Figura 4 exibe o modo vibracional Ge-Bi próximo a 190 cm⁻¹. Com aumento de Bi, o pico fortalece e desloca para números de onda maiores, indicando amplificação da tensão de rede e incorporação bem-sucedida de Bi.

Propriedades Ópticas no Infravermelho Próximo
A Figura 5a mostra que a reflectância diminui em 1014–2500 nm à medida que o Bi aumenta, implicando maior absorção. O vale de absorção a 1932–1938 nm (bandgap indireto) diminui e desaparece para Bi > 20%. Absorção de bandgap direto em torno de 1446–1452 nm enfraquece similarmente com alto Bi. A Figura 5b demonstra uma inflexão de transmissão próxima a 1020 nm, atribuída à borda de banda do substrato Si. No geral, Bi mais alto reduz reflectância e ajusta transmitância no NIR, melhorando responsividade do detector.

Resposta no Infravermelho Distante e THz
As Figuras 6a e 6b revelam uma janela de absorção estável entre 4–15 µm, enquanto a Figura 6c mostra que a absorção aumenta de 9,3% para 22,6% à medida que Bi sobe de 2% para 10,2%. Além de 10% Bi, picos de absorção próximos a 1–7,5 µm e declina em comprimentos de onda maiores, refletindo rugosidade superficial e formação de fase Bi. Transmitância THz (Figura 7) cai ~10% quando Bi aumenta de 2% para 10,2%, mas recupera ligeiramente a 18,3–22,2% Bi, indicando absorção THz ajustável que poderia ser aproveitada para moduladores.

Conclusão

Crescemos com sucesso filmes finos de Ge_1‑xBi_x do tipo n (x = 0–0,222) em substratos p-Si(100) via MBE de baixa temperatura. XRD e SEM confirmam que a incorporação de Bi dita orientação cristalográfica e microestrutura, enquanto AFM e Raman evidenciam modulação de tensão de rede. Estudos ópticos demonstram que dopagem moderada de Bi reduz reflectância NIR, estende corte para 2,3 µm e ajusta transmitância THz, posicionando GeBi como forte candidato para detectores infravermelhos de banda larga e moduladores THz.

Abreviações

AFM:

Microscopia de força atômica

MBE:

Epitaxia de feixe molecular

SEM:

Microscopia eletrônica de varredura

THz:

Terahertz

XRD:

Difração de raios X