현재 작업에서 우리는 GaAs(001)의 분자빔 에피택시(MBE) 시스템에 의해 성장된 중파(MWIR) 및 장파 적외선(LWIR) InAs/GaSb 유형 II 초격자(T2SL)의 평면 내 전기 전송 특성에 대해 보고합니다. 기질. T2SL과 GaAs 기판 사이의 거대한 격자 불일치는 IMF(interfacial misfit array) 기술을 기반으로 하는 GaSb 버퍼층의 성장에 의해 감소됩니다. InAs/GaSb T2SL의 변형을 보상하기 위해 InSb와 같은 인터페이스와 GaAs와 같은 인터페이스를 얻기 위해 특별한 셔터 시퀀스를 사용했습니다. MWIR InAs/GaSb T2SL이 p - 및 n - 각각 저온 및 고온에서 유형 전도. 흥미롭게도 전도 변화 온도는 성장 온도에 의존하는 것으로 관찰됩니다. 반면에 LWIR T2SL 전도는 전자에 의해서만 지배됩니다. 저온에서 LWIR T2SL의 지배적인 산란 메커니즘은 계면 거칠기 산란 메커니즘이라는 점에 주목하는 것이 중요합니다.
<섹션 데이터-제목="배경">InAs/GaSb 이후 T2SL은 Sai-Halasz et al.에 의해 개념화되었습니다. [1] 1977년에 이 반도체 재료에 대한 연구에 많은 관심이 쏟아졌다. 이 T2SL을 기반으로 하는 광검출기는 차세대 적외선(IR) 응용 분야를 위한 수은 카드뮴 텔루라이드(HgCdTe) 및 최첨단 적외선 재료 시스템보다 이론적으로 더 높은 잠재력을 나타냅니다[2, 3]. 흥미롭게도 InAs/GaSb T2SL은 InAs 전도대 최소값이 GaSb 가전자대 상단보다 140meV 낮은 위치에 있는 특이한 유형 II 끊어진 갭 대역 라인업을 보여줍니다[1]. 결과적으로, 중공 부대역과 전도대 바닥 사이의 근본적인 전이는 InAs 또는 GaSb 층의 두께에 따라 달라집니다[4]. 그러나 이 정렬의 주요 이점은 가전자대에서 일부 비방사성 경로의 억제 덕분에 Auger 재결합 속도가 감소한다는 것입니다[5]. 또한 큰 유효 질량(≈ 0.04 m)으로 인해 대역 간 터널링이 크게 감소합니다. 0 ) 전자와 정공 [6]. 후자의 이 두 가지 기능은 암전류를 감소시켜 광검출기의 높은 작동 온도(HOT)로 이어집니다.
InAs/GaSb T2SL은 전통적으로 격자 일치 GaSb 기판에서 성장되었습니다. 그러나 이 후자는 비싸고 3인치 미만의 작은 크기로 제공되므로 대형 FPA(초점 평면 배열)의 구현을 방해합니다. 더욱이, GaSb 기판은 "epi-ready"가 아니며 그 성장 표면은 많은 거시적 결함을 포함합니다[7]. 또한, GaSb 기질에서 흡수 계수가 상대적으로 높습니다(≈ 100cm −1 ) 5μm 이상의 IR 방사 [8]. 많은 장점으로 인해 GaAs는 InAs/GaSb T2SL의 성장을 위한 실행 가능한 후보로 제안되었습니다[9,10,11,12]. 실제로, 그들은 "epi-ready"이고 비용 효율적이며 최대 6인치의 큰 크기로 사용할 수 있습니다. 게다가 GaAs는 GaSb보다 2배 낮은 흡수 계수를 갖습니다. 불행히도 GaAs와 InAs/GaSb T2SL 사이에 거대한 격자 불일치(~ .5%)가 존재하여 높은 불일치 전위 밀도(10 9 cm −2 ) [13]. 따라서 변형을 완화하고 전위 밀도를 줄이기 위한 새로운 성장 기술의 개념이 필수적입니다. 이러한 기술 중에는 저온 핵형성[14] 및 IMF 기술[15, 16]이 있습니다.
InAs/GaSb T2SL 기반 광검출기의 성능을 개선하려면 기본 매개변수에 대한 더 나은 이해가 필요합니다. 이러한 매개변수 중 하나는 소수 캐리어 수명 및 확산 길이와 관련된 배경 캐리어 농도입니다. InAs 및 GaSb 벌크 재료는 캐리어 농도의 반대 극성을 갖는다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 실제로, 분자빔 에피택시(MBE)를 사용하여 성장한 InAs 및 GaSb 재료는 잔류 n - 및 p -유형, 각각 [17, 18]. 결과적으로 InAs/GaSb T2SL의 전도는 각 구성 요소의 두께에 따라 달라질 것으로 예상됩니다.
이 논문에서는 반절연 GaAs(001)에서 성장한 각각 MWIR 및 LWIR 영역의 감지 전용 10ML InAs/10ML GaSb 및 24ML InAs/7ML GaSb T2SL의 평면 내 전송 속성을 조사합니다. 기질. 이 연구는 Van der Pauw 방법을 사용하여 온도 의존적 홀 효과 측정을 수행하여 달성되었습니다. 또한 InAs/GaSb T2SL의 전도에 대한 성장 온도의 영향이 제시됩니다.
InAs/GaSb T2SL 샘플은 RIBER Compact 21-DZ 고체 소스 MBE 시스템의 반절연 GaAs(001) 기판에서 성장되었습니다. 이 후자는 III족 원소(인듐(In) 및 갈륨(Ga))에 대한 표준 유출 셀과 V족 물질(비소(As) 및 안티몬(Sb))에 대한 밸브가 있는 균열 셀이 장착되어 있습니다. As2를 생성하기 위해 As와 Sb 모두에 대해 크래커 온도를 900°C로 유지했습니다. 및 Sb2 , 각각. 매니퓰레이터 열전대(TC) 및 BandiT(BT)는 성장 온도를 모니터링하는 데 사용됩니다. 이 후자는 GaAs 산화물 탈착 온도에서 보정되었습니다. 610°C에서 GaAs 기판의 탈산(BT로 측정) 후 250nm 두께의 GaAs 층이 585°C(BT)에서 증착되어 매끄러운 시작 표면을 얻었습니다. 그 후, 440°C의 BT 온도에서 IMF 기술을 사용하여 1μm 두께의 GaSb 버퍼층이 성장되었습니다[16, 19]. 이 기술은 낮은 전위 밀도(≈ 10 6 cm −2 ) [20]. GaSb 버퍼층의 성장 후, BT는 방사율 변화, 표면 거칠기 및 추가 복사 흡수 메커니즘으로 인해 더 이상 사용할 수 없습니다[21]. 따라서 InAs/GaSb T2SL의 성장 온도는 TC에 의해서만 제어된다. MWIR 10ML InAs/10ML GaSb T2SL은 성장 온도가 전송 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해 330, 390, 400°C(TC)와 같은 다양한 기판 온도에서 성장됩니다. 반면에 LWIR 24ML InAs/7ML GaSb T2SL은 390°C에서만 증착되었습니다. InAs와 GaSb 사이의 변형을 보상하기 위해 더 나은 구조적 품질을 가져온다고 보고된 특수 셔터 시퀀스[22, 23]가 다음과 같이 사용되었습니다. -유사 결합인 반면, GaSb 성장은 GaAs와 유사한 계면을 성장시키기 위해 2번의 As 흡수가 뒤따랐습니다. V/III 자속비는 InAs 및 GaSb에 대해 각각 8.3 및 4.6입니다. 또한 성장률은 InAs와 GaSb 모두 0.5ML/s입니다. 성장은 반사 고에너지 전자 회절(RHEED) 시스템에 의해 제자리에서 모니터링되었습니다.
성장한 샘플은 구조적 특성을 조사하기 위해 PANalytical X'Pert의 고해상도 X선 회절(HRXRD)로 평가되었습니다. Cu Kα1 방사선(λ ≈ 1.5406 Å) 라인 포커스 및 4바운스 Ge(004) 모노크로메이터에서 발생합니다. 80–300K의 온도 범위에서 ECOPIA 시스템에서 Van der Pauw 방법을 사용하여 홀 효과 측정으로 수송 특성을 평가했습니다. 측정은 6 × 6 mm 2 정사각형 샘플에서 수행되었습니다.; 접촉은 각 모서리의 인듐 점으로 이루어졌습니다. 샘플에 수직으로 0.4T의 자기장을 가했습니다.
그림 1은 측정 및 시뮬레이션된 HRXRD 2θ-ω를 보여줍니다. MWIR 및 LWIR InAs/GaSb T2SL에 대한 대칭(004) 반사의 스캔 곡선. 시뮬레이션은 PANalytical X'Pert에서 제공하는 "Epitaxy" 소프트웨어에 의해 수행됩니다. 보시다시피, MWIR T2SL의 경우 최대 4개, LWIR의 경우 최대 7개인 잘 분해된 위성이 있습니다. 이것은 특히 LWIR T2SL의 경우 성장된 레이어의 높은 구조적 품질을 나타냅니다. 한편, ω-2θ에서 측정된 0차 피크의 반치폭(FWHM)은 방향은 MWIR 및 LWIR T2SL의 경우 각각 107 및 99 arcsec입니다. 초격자 기간(L )는 인접한 두 위성 사이의 각도 거리(Δθ ) 다음과 같이:
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HRXRD 004 2θ-ω a 스캔 MWIR b 및 LWIR InAs/GaSb T2SL. 실험적(검은색 선) 및 시뮬레이션된(빨간색 선) HRXRD 2θ-ω a의 (004) 반사 스캔 MWIR T2SL; 4차까지 잘 분해된 위성이 있는데, 이는 초격자의 좋은 품질의 특징입니다. 0차 피크의 FWHM은 107 arcsec, b입니다. 및 LWIR InAs/GaSb T2SL; 최대 7차의 위성 피크가 있어 높은 결정질 품질을 확인합니다. 0차 피크의 FWHM은 99 arcsec입니다. 각 초격자의 주기는 인접 위성 간의 거리에서 계산됩니다.
$$ L=\lambda /\left(2\times \Delta \theta \times \mathit{\cos}{\theta}_{SL}\ \right) $$ (1)여기서 λ 는 앞에서 언급한 입사 X선 빔의 파장이며 θ SL 초격자의 0차 피크의 브래그 각도입니다. 그림 1에서 MWIR 및 LWIR T2SL의 주기는 각각 6.74 ± 0.01 및 10.24 ± 0.02nm입니다. 측정된 곡선을 시뮬레이션된 곡선과 맞추면 MWIR T2SL의 한 주기 구성이 다음과 같은 것으로 밝혀졌습니다. GaSb 3.4nm(11.2ML), GaAs 0.1nm(0.2ML), InAs 3.0nm(10.1ML), InSb 0.2nm(0.5ML) 또한 LWIR T2SL 구성 요소의 두께는 GaSb 2.3nm(7.5ML), GaAs 0.1nm(0.2ML), InAs 7.4nm(24.7ML), InSb 0.4nm(1ML)입니다. 0차 피크와 GaSb 버퍼층 사이의 각도에서 결정된 격자 불일치는 8.9 × 10 −3 및 4.5 × 10 −3 MWIR 및 LWIR T2SL에 대해 각각. 그림 2는 성장한 T2SL에 대한 비대칭(115) RSM(Reciprocal Space Map)을 보여줍니다. 두 샘플에서 초격자의 위성과 GaSb 피크는 수직으로 정렬됩니다(이들은 산란 벡터 Qx의 동일한 구성 요소를 가짐) ), 이는 두 T2SL이 실질적으로 완전히 변형되었다는 결론으로 이어집니다.
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a의 비대칭 115 RSM MWIR 및 b LWIR InAs/GaSb T2SL. a의 비대칭 반사(115)에 대한 상호 공간 맵 MWIR 및 b LWIR InAs/GaSb T2SL. 두 초격자의 피크는 수직으로 정렬됩니다(산란 벡터 Qx의 동일한 값을 가짐) ). 따라서 MWIR 및 LWIR에 대한 두 개의 초격자는 실제로 완전히 변형됩니다.
성장한 MWIR InAs/GaSb T2SL의 면내 전기 매개변수는 그림 3에 나와 있습니다. 알 수 있는 바와 같이, 의도하지 않게 도핑된 InAs/GaSb T2SL은 전도성 유형에서 재현 가능한 변화를 나타냅니다. GaSb 버퍼층의 영향에도 불구하고(p -type) 홀 효과 측정에서 전도도 유형의 변화는 T2SL 층에만 기인한다는 점에 유의해야 합니다. 이 변화는 여러 그룹에서도 보고되었습니다[6, 24,25,26]. T2SL은 p를 나타냅니다. -변화가 발생하는 온도 이하의 유형 전도(T ch ) 및 n - T 위의 유형 전도 ch . 앞서 언급했듯이 InAs 및 GaSb 레이어는 n -유형 및 p - 유형 전도, 각각. 따라서 두 성분에 대해 유사한 두께를 갖는 InAs/GaSb T2SL의 잔여 배경은 T2SL의 이원 성분으로부터 다수 캐리어 보상에 의해 유도된다[27]. T 값에 대해 ch , Mohseni et al. [6]은 140K의 값을 보고했습니다(Christol et al. [24] Khoshakhlagh et al. [25]는 200K 값을 지적했습니다. 시트 캐리어 농도 및 이동도의 거동은 잘 알려진 고유 포논 산란(음향, 압전, 극성 및 비극성 광학) 메커니즘에 의해 제어됩니다. 예외적으로 T 이상의 온도가 증가함에 따라 홀 이동도가 증가합니다. ch (그림 3b); 이것은 아마도 GaSb-on-InAs 인터페이스에서 InSb 인터페이스로 인한 이온화된 트랩 때문입니다[6]. 티 ch 값은 각각 330, 390, 400°C에서 성장한 T2SL의 경우 145, 195, 225K입니다(그림 3). 이것은 아마도 더 높은 성장 온도에서 높은 홀 농도로 이동하여 T ch 낮은 온도로. 높은 정공 농도는 높은 성장 온도에서 결함 및 이온화된 공석으로 인한 것입니다. 390°C에서 성장한 InAs/GaSb T2SL은 캐리어 농도가 1.8 × 10 16 인 것이 특징입니다. 및 2.5 × 10 16 cm −3 각각 80K와 300K입니다. 이 결과는 Mohseni et al. [6] (홀 농도 범위는 1.5 ~ 4 × 10 17 cm −3 ) Christol et al.이 보고한 것과 실질적으로 동일합니다. [24] (홀 농도 1.6 × 10 16 및 6 × 10 16 cm −3 각각 100 및 300K에서). 반면, Hall 이동성은 1300(p -유형) 및 3200cm 2 /V s(n -type), 각각 80 및 300K에서 도달 이동성은 Christol et al.에 의해 보고된 것보다 훨씬 높습니다. [24], 100 및 1800cm 2 의 Hall 이동성을 가진 사람 /V는 각각 100 및 300K입니다.
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아 홀 집중 및 b 다른 온도에서 성장한 MWIR InAs/GaSb T2SL의 홀 이동도. 다른 온도에서 성장한 MWIR InAs/GaSb T2SL의 전기적 매개변수. 아 홀 농도:3개의 T2SL은 전도도의 변화를 나타냅니다. 그들은 p -낮은 온도에서 입력하고 n -고온에서 유형. ㄴ 홀 이동성:이동성 경향에는 두 가지 영역이 있습니다. 저온의 경우 산란 메커니즘이 다르기 때문에 이동도가 감소합니다. 고온의 경우 온도가 증가하면 이동도가 증가하며 이는 InSb 유사 계면의 이온화된 트랩으로 설명할 수 있습니다. 전도도 변화가 발생하는 온도는 성장 온도가 증가할 때 증가하는데, 이는 더 높은 온도에서 높은 결함 수준으로 인한 것입니다.
세 가지 다른 샘플의 저항률은 그림 4에 나와 있습니다. 저항률과 온도에는 두 개의 잘 정의된 기울기가 있음을 알 수 있습니다. 각 샘플에 대해 Arrhenius 법칙에서 두 개의 열 활성화 에너지를 추출할 수 있습니다. n의 경우 -유형 영역, 활성화 에너지 E 한 330, 390, 400°C에서 성장한 T2SL의 경우 각각 58, 72, 68meV입니다. p 동안 -유형 지역, E ap 각각 330, 390, 400°C에서 증착된 InAs/GaSb T2SL의 경우 7, 12, 14meV입니다. 저온용(T 이하 ch ), T2SL은 p -p로 인한 유형 -E와 관련된 유형 캐리어 ap 캐리어 생성 및 재조합 메커니즘을 지배합니다. T 이상의 온도의 경우 ch , T2SL은 n -높은 활성화 에너지 E와 관련된 심층 캐리어의 활성화로 인한 유형 전도 한 . 이러한 깊은 레벨의 소스는 InAs와 InAs/GaSb T2SL 사이의 밴드 라인업의 결과이고 InAs/GaSb T2SL에서 깊은 레벨로 작용하는 벌크 InAs의 얕은 레벨입니다[28].
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a에서 성장한 MWIR InAs/GaSb T2SL의 홀 저항 330°C, b 390°C 및 c 400°C 다양한 성장 온도에서 증착된 MWIR InAs/GaSb T2SL의 홀 저항, a 330°C, b 390°C 및 c 400°C 각 그래프에는 두 개의 잘 정의된 기울기가 있습니다. Arrhenius 법칙에서 두 개의 열 에너지를 추출할 수 있으며 이는 두 가지 불순물 수준의 존재를 확인합니다. 하나는 n을 나타냅니다. -유형 캐리어, 두 번째 캐리어는 p에 해당합니다. - 유형 캐리어. n과 관련된 깊은 불순물 수준 -타입 캐리어는 InAs와 InAs/GaSb T2SL 간의 밴드 라인업의 결과입니다.
LWIR InAs/GaSb T2SL의 홀 농도, 이동도 및 저항은 그림 5에 나와 있습니다. MWIR T2SL과 달리 이 샘플의 경우 전도도 유형의 변화가 없습니다. 이 T2SL은 n - 유형 전도. p의 영향 이 n에 대한 홀 효과 측정에 대한 -유형 GaSb 버퍼(저이동성 캐리어) 레이어 -type T2SL(고이동성 캐리어)은 무시할 수 있습니다. 홀 이동성은 캐리어의 이동성 제곱에 비례하기 때문입니다. Khoshakhlagh et al. [25]는 13ML InAs/7ML GaSb T2SL에 대해 동일한 결과를 보고했습니다. 또한, Szmulowicz et al. InAs 층이 GaSb보다 두꺼운 LWIR T2SL은 n -유형. 이 n -형 전도는 InAs 층의 두꺼운 두께로 인한 것입니다(잔여 n -doped.) GaSb와 비교. 이러한 n -형 캐리어는 33meV의 활성화 에너지와 관련이 있습니다(그림 5b). 홀 집중도 및 이동도의 동작은 n에 대해 일반적입니다. -형 반도체, 캐리어의 농도와 이동도가 거의 온도에 독립적인 95K 미만의 온도 범위를 제외합니다. 이것은 이 온도 영역에서 온도와 무관한 산란 메커니즘의 존재를 나타냅니다. 이 후자는 계면 거칠기 산란(IRS) 메커니즘인 것으로 입증되었습니다[30,31,32,33,34]. 이 메커니즘은 포논 산란이 동결되는 저온에서 지배적입니다[35]. IRS 메커니즘은 인터페이스의 존재와 레이어 두께의 변화로 인해 발생하며, 이로 인해 전자 에너지 수준이 변화합니다. 따라서 그들은 캐리어 산란의 원인으로 작용합니다[35]. 또한 IRS 메커니즘이 지배하는 홀 이동도는 InAs 두께의 6승에 비례합니다(\( \mu \propto {d}_{\mathrm{InAs}}^{6.2} \)) [35].
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아 홀 집중도, 홀 이동성 및 b 의도하지 않게 도핑된 LWIR InAs/GaSb T2SL의 홀 저항. LWIR InAs/GaSb T2SL의 전송 특성. 아 홀 농도 및 이동성:이 초격자는 n만 나타냅니다. - 전체 온도 범위에 대한 유형 전도. 홀 농도는 이온화 효과로 인한 온도 증가에 따라 증가합니다. 반면에 홀 이동도 거동은 95K보다 높은 온도에서 다양한 산란 메커니즘(포논 및 이온화된 불순물)의 영향을 받습니다. 95K보다 낮은 온도에서는 이동도가 일정하며(홀 농도도) 이를 통해 확인됩니다. 온도와 무관한 또 다른 산란 메커니즘의 존재. 후자는 인터페이스 거칠기 메커니즘입니다. ㄴ 홀 저항:Arrhenius 법칙에서 하나의 불순물 수준과 관련된 열 에너지는 단 하나입니다.
요약하면, InAs/GaSb T2SL은 IMF 기술에 기반한 GaSb 버퍼층을 사용하여 GaAs 기판에서 성장되었습니다. 또한, 이러한 T2SL은 MWIR 및 LWIR 감지 영역에 대해 입증되었습니다. MWIR T2SL이 p 형태의 전도 유형에 변화를 나타내는 것으로 밝혀졌습니다. - n까지 -온도가 상승함에 따라 입력하십시오. 또한, T2SL의 성장 온도가 증가함에 따라 변화가 일어나는 온도도 증가한다. 이 전도 유형 변화는 두 가지 다른 활성화 에너지를 가진 두 가지 불순물 수준의 존재에 기인합니다. 반면에 LWIR InAs/GaSb T2SL 전도는 n - 전체 온도 범위에 대한 유형. 기존의 산란 메커니즘 외에도 IRS 메커니즘은 저온에서 지배적인 산란 메커니즘으로 입증되었습니다. 이러한 결과를 통해 InAs/GaSb T2SL의 물리적 특성을 더 잘 이해할 수 있게 되어 이 재료를 기반으로 하는 IR 광검출기 성능이 향상되었습니다.
밴디트
초점면 배열
최대 절반에서 전체 너비
높은 작동 온도
고해상도 X선 회절
계면 부적합 어레이
적외선
계면 거칠기 산란
장파 적외선
분자빔 에피택시
중파 적외선
반사 고에너지 전자 회절
상호 공간 지도
II형 초격자
열전대
나노물질
초록 이 연구에서 자가 촉매 β-FeSi2 노에서 원했지만 거의 달성되지 않은 나노와이어는 β-FeSi2의 제조가 이루어지는 화학 기상 증착 방법을 통해 합성되었습니다. 단일 소스 전구체인 무수 FeCl3의 분해를 통해 Si(100) 기판에서 나노와이어가 발생했습니다. 750–950 °C에서 분말. 우리는 나노와이어의 성장을 제어하고 조사하기 위해 온도, 지속 시간 및 캐리어 가스의 유속을 신중하게 변경했습니다. β-FeSi2의 형태 나노와이어는 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하고 구조는 X선 회절(XRD)과 투과전자현미경(TEM
초록 Nb 도핑된 SrSnO3 (SSNO) 박막은 LaAlO3에서 에피택셜 성장되었습니다. (001) 다양한 산소 압력 및 기판 온도 하에서 펄스 레이저 증착을 사용하는 단결정 기판. 필름의 결정 구조, 전기적 및 광학적 특성을 자세히 조사했습니다. X-선 회절 결과는 에피택셜 특성을 유지하면서 산소 압력이 증가함에 따라 필름의 셀 부피가 점진적으로 감소함을 보여줍니다. X선 광전자 분광법 분석으로 Nb5+ 확인 SSNO 필름의 산화 상태. 홀 효과 측정이 수행되었으며 780°C 기판 온도에서 0.2 Pa에서 제조된 필름은 31.
