Transporte Elétrico no Plano de Super-redes InAs/GaSb Infravermelho Médio e Longo Crescidas em GaAs por Epitaxia de Feixe Molecular

Resumo

No presente trabalho, relatamos propriedades de transporte elétrico no plano de super-redes tipo-II (T2SLs) InAs/GaSb de infravermelho médio (MWIR) e longo (LWIR) crescidas por sistema de epitaxia de feixe molecular (MBE) em substrato GaAs (001). O enorme desajuste de rede entre T2SL e substrato GaAs é reduzido pelo crescimento de camada tampão de GaSb baseada em técnica de array de desajuste interfacial (IMF). Para compensar tensão na T2SL InAs/GaSb, utilizamos sequência especial de obturadores para obter interfaces tipo InSb e tipo GaAs. Verificou-se que MWIR InAs/GaSb T2SL exibe condução tipo p e tipo n em temperaturas baixas e altas, respectivamente. Curiosamente, temperatura de mudança de condução depende da temperatura de crescimento. Por outro lado, condução LWIR T2SL é dominada apenas por elétrons. Importante notar que mecanismo de espalhamento dominante em LWIR T2SL em baixas temperaturas é o mecanismo de espalhamento por rugosidade interfacial.

Introdução

Desde que InAs/GaSb T2SL foi conceitualizado por Sai-Halasz et al. em 1977, grande atenção foi dada à investigação deste material semicondutor. Fotodetectores baseados nesta T2SL apresentam potencial teórico superior sobre telureto de mercúrio cádmio (HgCdTe) e sistemas de materiais infravermelhos de ponta para próxima geração de aplicações IR. Curiosamente, InAs/GaSb T2SL exibe alinhamento de banda tipo-II de gap quebrado incomum onde mínimo da banda de condução de InAs está localizado 140 meV abaixo do topo da banda de valência de GaAs. Consequentemente, transição fundamental entre subbandas de buracos pesados e fundo da banda de condução depende da espessura da camada de InAs ou GaSb. No entanto, principal vantagem deste alinhamento é redução da taxa de recombinação Auger graças à supressão de alguns caminhos não-radiativos na banda de valência. Além disso, tunelamento banda-a-banda diminui significativamente devido às grandes massas efetivas (≈ 0,04 m₀) de elétrons e buracos. Estas duas características permitem redução de corrente escura, levando a alta temperatura de operação (HOT) do fotodetector.

InAs/GaSb T2SL é tradicionalmente crescido em substrato GaSb casado em rede. No entanto, este é caro e disponível em tamanhos pequenos <3 pol., impedindo realização de arrays de plano focal (FPAs) de grande formato. Além disso, substratos GaSb não são "epi-prontos" e suas superfícies de crescimento contêm muitos defeitos macroscópicos. Ademais, coeficiente de absorção é relativamente alto em substrato GaSb (≈ 100 cm⁻¹) para radiação IR acima de 5 µm. Devido a suas inúmeras vantagens, GaAs foi proposto como candidato viável para crescimento de InAs/GaSb T2SL. De fato, são "epi-prontos", custo-eficientes, e disponíveis em tamanhos grandes até 6 pol. Além disso, GaAs tem coeficiente de absorção duas ordens de magnitude menor que GaSb. Infelizmente, enorme desajuste de rede (~7,5%) existe entre GaAs e InAs/GaSb T2SL resultando em alta densidade de discordâncias de desajuste (10⁹ cm⁻²). Portanto, é obrigatório conceber novas técnicas de crescimento para aliviar tensão e reduzir densidade de discordâncias. Entre estas técnicas estão nucleação de baixa temperatura e técnica IMF.

Para melhorar desempenho de fotodetectores baseados em InAs/GaSb T2SL, melhor entendimento de parâmetros fundamentais é necessário. Um destes parâmetros é concentração de portadores de fundo associada à vida útil de portadores minoritários e comprimentos de difusão. Vale notar que materiais em massa InAs e GaSb têm polaridade oposta de concentração de portadores. De fato, materiais InAs e GaSb crescidos usando MBE são residualmente tipo n e tipo p, respectivamente. Consequentemente, condução da InAs/GaSb T2SL é prevista para depender da espessura de cada constituinte.

Neste artigo, investigamos propriedades de transporte no plano de T2SLs 10 ML InAs/10 ML GaSb e 24 ML InAs/7 ML GaSb dedicados para detecção em regiões MWIR e LWIR, respectivamente, crescidos em substratos GaAs (001) semi-isolantes. Estudo realizado por medição de efeito Hall dependente de temperatura usando método Van der Pauw. Além disso, influência da temperatura de crescimento na condução da InAs/GaSb T2SL é apresentada.

Métodos

Amostras InAs/GaSb T2SL crescidas em substratos GaAs (001) semi-isolantes em sistema MBE RIBER Compact 21-DZ de fonte sólida. Equipado com células de efusão padrão para elementos grupo III (indio (In) e gálio (Ga)) e células de craqueamento valvuladas para materiais grupo V (arsênio (As) e antimônio (Sb)). Temperaturas de craqueamento mantidas a 900 °C para ambos As e Sb para produzir As₂ e Sb₂, respectivamente. Termopar do manipulador (TC) e BandiT (BT) utilizados para monitorar temperatura de crescimento. Esta calibrada a partir de temperatura de desorção de óxido de GaAs. Após desoxidação de substratos GaAs a 610 °C (medido por BT), camada de GaAs de 250 nm depositada a 585 °C (BT) para obter superfície inicial lisa. Subsequentemente, camada tampão de GaSb de 1 µm crescida usando técnica IMF a temperatura BT de 440 °C. Esta técnica consiste na formação de array periódico de discordâncias de desajuste de 90° na interface GaAs/GaSb levando a baixa densidade de discordâncias (≈ 10⁶ cm⁻²). Após crescimento de camada tampão GaSb, BT não pode mais ser usado devido a mudanças de emissividade, rugosidade de superfície e mecanismos extra de absorção radiativa. Assim, temperatura de crescimento da InAs/GaSb T2SL controlada apenas pelo TC. MWIR 10 ML InAs/10 ML GaSb T2SLs crescidos em diferentes temperaturas de substrato, 330, 390 e 400 °C (TC) para investigar influência da temperatura de crescimento nas propriedades de transporte. Por outro lado, LWIR 24 ML InAs/7 ML GaSb T2SL depositado apenas a 390 °C. Para compensar tensão entre InAs e GaSb, sequência especial de obturadores, relatada para levar a melhor qualidade estrutural, usada como segue: crescimento de InAs seguido por imersão Sb de 8 s para formar ligações tipo InSb, enquanto crescimento de GaSb seguido por 2 s de imersão As para crescer interface tipo GaAs. Razão de fluxo V/III é 8,3 e 4,6 para InAs e GaSb, respectivamente. Além disso, taxa de crescimento é 0,5 ML/s para ambos InAs e GaSb. Crescimento monitorado in situ por sistema de difração de elétrons de alta energia por reflexão (RHEED).

Amostras crescidas avaliadas por difração de raios X de alta resolução (HRXRD) de PANalytical X'Pert para investigar propriedades estruturais. Radiação Cu Kα₁ (λ ≈ 1,5406 Å) de foco linear e monocromador Ge (004) de quatro reflexos utilizados. Propriedades de transporte avaliadas por medições de efeito Hall usando método Van der Pauw em sistema ECOPIA, com faixa de temperatura 80–300 K. Medidas realizadas em amostras quadradas de 6 × 6 mm²; contato feito por pontos de índio em cada canto. Campo magnético de 0,4 T aplicado normal às amostras.

Resultados e Discussão

Figura 1 ilustra curvas de varredura HRXRD 2θ-ω medidas e simuladas da reflexão simétrica (004) para MWIR e LWIR InAs/GaSb T2SLs. Simulação realizada por software "Epitaxy" fornecido por PANalytical X'Pert. Como visto, há satélites bem resolvidos com ordem até 4 para MWIR T2SL e até 7 para LWIR. Isto indica alta qualidade estrutural das camadas crescidas, especialmente para LWIR T2SL. Por outro lado, largura total a meia altura (FWHM) do pico de ordem zero medido em direção ω-2θ é 107 e 99 arco-seg para MWIR e LWIR T2SLs, respectivamente. Período da super-rede (L) determinado a partir da distância angular entre dois satélites adjacentes (Δθ) como: L = λ / (2 × Δθ × cos θ_SL).

Da Fig. 1, período de MWIR e LWIR T2SLs é 6,74 ± 0,01 e 10,24 ± 0,02 nm, respectivamente. Ajustando curva medida com simulada, composição de um período de MWIR T2SL: GaSb 3,4 nm (11,2 ML), GaAs 0,1 nm (0,2 ML), InAs 3,0 nm (10,1 ML), InSb 0,2 nm (0,5 ML). Espessuras de constituintes LWIR T2SL: GaSb 2,3 nm (7,5 ML), GaAs 0,1 nm (0,2 ML), InAs 7,4 nm (24,7 ML), InSb 0,4 nm (1 ML). Desajuste de rede determinado do ângulo entre pico de ordem zero e camada tampão GaSb é 8,9 × 10⁻³ e 4,5 × 10⁻³ para MWIR e LWIR T2SLs, respectivamente. Figura 2 apresenta mapa de espaço recíproco (RSM) assimétrico (115) para T2SLs crescidos. Em ambas amostras, satélites das super-redes e pico GaSb alinhados verticalmente (mesmo componente do vetor de espalhamento Q_x), concluindo que ambas T2SLs são praticamente totalmente tensionadas.

Parâmetros elétricos no plano dos MWIR InAs/GaSb T2SLs crescidos ilustrados na Fig. 3. T2SL inadvertidamente dopado exibe mudança reproduzível no tipo de condutividade. Apesar da influência da camada tampão GaSb (tipo p) nas medições de efeito Hall, deve-se notar que mudança no tipo de condutividade é devida apenas à camada T2SL. T2SL exibe condução tipo p abaixo da temperatura de mudança (T_ch) e tipo n acima de T_ch. Como mencionado, camadas InAs e GaSb exibem condução tipo n e tipo p, respectivamente. Portanto, fundo residual da InAs/GaSb T2SL com espessura similar para dois constituintes é induzido por compensação de portadores majoritários dos constituintes binários da T2SL. Para valor de T_ch, Mohseni et al. reportaram 140 K, Christol et al. 190 K, Khoshakhlagh et al. 200 K. Comportamento de concentração de portadores de folha e mobilidade governado por mecanismos bem conhecidos de espalhamento de fônons intrínsecos (acústico, piezoelétrico, polar e óptico não-polar). Excepcionalmente, mobilidade Hall aumenta com aumento de temperatura acima de T_ch (Fig. 3b); isto provavelmente devido a armadilhas ionizadas devido à interface InSb na interface GaSb-sobre-InAs. Valor de T_ch é 145, 195 e 225 K para T2SL crescido a 330, 390 e 400 °C, respectivamente; isto provavelmente devido a alta concentração de buracos em maior temperatura de crescimento, que desloca T_ch para temperatura mais baixa. Alta concentração de buracos devida a defeitos e vacâncias ionizadas em alta temperatura de crescimento. T2SL InAs/GaSb crescido a 390 °C caracterizado por concentração de portadores de 1,8 × 10¹⁶ e 2,5 × 10¹⁶ cm⁻³ a 80 e 300 K, respectivamente. Este resultado melhor que reportado por Mohseni et al. (concentração Hall 1,5 a 4 × 10¹⁷ cm⁻³) e praticamente mesmo que Christol et al. (concentração Hall 1,6 × 10¹⁶ e 6 × 10¹⁶ cm⁻³ a 100 e 300 K). Mobilidade Hall é 1300 (tipo p) e 3200 cm²/V s (tipo n), a 80 e 300 K, respectivamente. Mobilidade alcançada muito maior que Christol et al., que obtiveram mobilidade Hall de 100 e 1800 cm²/V s a 100 e 300 K.

Resistividade das três amostras diferentes mostrada na Fig. 4. Resistividade e temperatura têm dois declives bem definidos. Para cada amostra, duas energias de ativação térmica extraídas da lei de Arrhenius. Para região tipo n, energia de ativação E_an é 58, 72 e 68 meV para T2SL crescido a 330, 390 e 400 °C. Para região tipo p, E_ap igual a 7, 12 e 14 meV para InAs/GaSb T2SL depositado a 330, 390 e 400 °C. Para baixas temperaturas (abaixo T_ch), T2SL mostra tipo p devido a portadores tipo p associados com E_ap dominando mecanismos de geração e recombinação. Para temperaturas acima T_ch, T2SL exibe condução tipo n devido à ativação de portadores de nível profundo associados com alta energia de ativação E_an. Fonte destes níveis profundos são níveis rasos no InAs em massa resultante do alinhamento de banda entre InAs e InAs/GaSb T2SL e que atuam como níveis profundos na InAs/GaSb T2SL.

Concentração Hall, mobilidade e resistividade da LWIR InAs/GaSb T2SL apresentadas na Fig. 5. Oposto ao MWIR T2SL, não há mudança de tipo de condutividade neste caso. T2SL exibe condução tipo n. Influência da camada tampão GaSb tipo p (portadores de baixa mobilidade) na medição de efeito Hall para este T2SL tipo n (portadores de alta mobilidade) é desprezível, pois mobilidade Hall é proporcional ao quadrado da mobilidade dos portadores. Khoshakhlagh et al. reportaram mesmo resultado para T2SL 13 ML InAs/7 ML GaSb. Além disso, Szmulowicz et al. apontaram que LWIR T2SL, na qual camada InAs é mais espessa que GaSb, tende a ser tipo n. Esta condução tipo n devida à grande espessura da camada InAs (residualmente tipo n) comparada à de GaSb. Portadores tipo n associados com energia de ativação de 33 meV (Fig. 5b). Comportamento de concentração e mobilidade Hall típico para semicondutores tipo n, exceto faixa de temperatura abaixo de 95 K, onde concentração e mobilidade são quase independentes de temperatura. Isto indica existência de mecanismo de espalhamento independente de temperatura nesta região. Este demonstrado ser mecanismo de espalhamento por rugosidade interfacial (IRS). Mecanismo IRS dominante em baixa temperatura, onde espalhamento de fônons está congelado. IRS devido à existência de interfaces, bem como variação de espessuras das camadas, resultando em variação de níveis de energia eletrônica; portanto, atuam como fonte de espalhamento de portadores. Além disso, mobilidade Hall dominada por mecanismo IRS proporcional à sexta potência da espessura de InAs (μ ∝ d_InAs^6.2).

Conclusões

Em resumo, InAs/GaSb T2SLs crescidos em substrato GaAs usando camada tampão GaSb baseada em técnica IMF. Estas T2SLs demonstradas para regiões de detecção MWIR e LWIR. Verificou-se que MWIR T2SL exibe mudança no tipo de condução, de tipo p para tipo n conforme temperatura aumenta. Além disso, temperatura na qual mudança ocorre aumenta conforme temperatura de crescimento das T2SLs aumenta. Esta mudança de tipo de condução atribuída à existência de dois níveis de impureza com duas energias de ativação diferentes. Por outro lado, condução LWIR InAs/GaSb T2SL demonstrada ser tipo n para toda faixa de temperatura. Além dos mecanismos de espalhamento convencionais, mecanismo IRS provado ser mecanismo de espalhamento dominante em baixas temperaturas. Estes resultados permitem melhor entendimento das propriedades físicas da InAs/GaSb T2SL, levando à melhoria de desempenho de fotodetectores IR baseados neste material.

Abreviações

BT

BandiT

FPAs

Arrays de plano focal

FWHM

Largura total a meia altura

HOT

Alta temperatura de operação

HRXRD

Difração de raios X de alta resolução

IMF

Array de desajuste interfacial

IR

Infravermelho

IRS

Espalhamento por rugosidade interfacial

LWIR

Infravermelho de onda longa

MBE

Epitaxia de feixe molecular

MWIR

Infravermelho de onda média

RHEED

Difração de elétrons de alta energia por reflexão

RSM

Mapa de espaço recíproco

T2SL

Super-rede tipo-II

TC

Termopar