분자빔 에피택시로 엔지니어링된 n형 GeBi 박막: 결정 제어 및 적외선/THz 광학 성능

요약

저마늄-비스무트(Ge₁₋ₓBiₓ) 합금은 조절 가능한 밴드갭과 높은 캐리어 이동도로 인해 유망한 적외선 반도체로 부상했습니다. 본 연구에서는 2%에서 22.2%까지의 Bi 함량을 가진 n형 GeBi 박막의 저온 분자빔 에피택시(MBE) 성장을 보고합니다. X선 회절(XRD), 주사전자현미경(SEM), 원자간력현미경(AFM) 등의 종합적인 구조 분석을 통해 Bi의 성공적인 도입과 Bi 함량 증가에 따른 (014)에서 (012)로의 결정학적 배향 변화를 확인했습니다. 광학 측정 결과 Bi 도핑이 반사율을 낮추고 근적외선(NIR) 대역에서 투과율을 향상시키며, 차단 파장을 2.3 µm까지 연장하여 C-대역과 L-대역을 모두 커버함을 보여주었습니다. 테라헤르츠(THz) 분광법은 적당한 Bi 도입이 THz 투과율을 감소시켜 조절 가능한 THz 응답을 가능하게 함을 입증했습니다. 이러한 결과는 GeBi 박막이 적외선 및 THz 포토닉 소재로서 다재다능함을 보여줍니다.

배경

밀집 파장 분할 다중화(DWDM)가 L-대역(1.56~1.62 µm)으로 확장됨에 따라 1.44~1.93 µm 전체 범위에서 작동하는 광전자 검출기가 필요합니다. 기존 Ge 기반 합금인 GeSi와 GeSn은 최대 1.6 µm의 차단 파장을 달성했지만, 중적외선 센싱과 자유공간 통신 응용 분야에서 요구되는 2 µm 장벽을 넘지 못했습니다.

GeBi는 매력적인 대안입니다: Ge 격자에 Bi를 합금화하면 n형 전도성을 유지하면서 밴드갭을 더 긴 파장 쪽으로 설계할 수 있습니다. GeSn과 GeBi에 대한 선행 연구는 1.3~1.6 µm 범위에서 고성능 검출기의 잠재력을 보여주었지만 차단 파장은 여전히 제한적이었습니다. 본 연구는 MBE로 성장시킨 GeBi 박막이 2.3 µm의 차단 파장에 도달할 수 있음을 입증하여 C-대역과 L-대역 검출 사이의 간극을 효과적으로 메웠습니다.

실험 절차

GeBi 박막은 기본 압력 4 × 10⁻⁹ ~ 5 × 10⁻¹⁰ Torr에서 작동하는 맞춤형 MBE 챔버에서 p형 Si (100) 웨이퍼 위에 증착했습니다. Ge와 Bi는 각각 1200°C와 400~550°C로 가열된 에퓨전 셀에서 공급하여 제어된 플럭스 비율을 달성했습니다. 기판 온도는 150°C로 유지되었으며, 성장 속도는 1.66~2.50 nm min⁻¹ 사이였습니다. 상세한 성장 파라미터는 표 1에 정리되어 있습니다.

구조 분석에는 글레이징 입사 XRD, SEM(JMS6490LV, JEOL), AFM(300 HV, SEIKO), 라만 분광법(LabRAM HR, Edinburgh Instruments)을 사용했습니다. 광흡수와 투과율은 Lambda 75 UV/VIS/NIR 분광계와 푸리에 변환 원적외선 분광계로 측정했습니다. THz 투과율은 시간영역 분광법(THz-TDS)으로 얻었습니다.

결과 및 논의

XRD 분석
그림 1은 모든 시료에서 명확한 GeBi 회절 피크를 보여줍니다. 낮은 Bi(x = 0.020)에서 박막은 (014) 방향으로 배향됩니다. Bi가 x = 0.102로 증가하면 (104) 피크가 약해지고 (012) 피크가 나타납니다. x ≥ 0.183에서는 (012) 배향이 지배적이 되어, Bi의 더 큰 격자 상수로 인한 응력 구동 재배향을 나타냅니다.

SEM 형태
그림 2는 표면 진화를 보여줍니다. 2% Bi에서 박막은 매끄럽습니다(그림 2a). 10.2% Bi에서 고립된 Bi 풍부 도트(33~42 nm)가 나타납니다(그림 2b). 18.3% Bi 이상에서는 2차 상(비정질 Bi, Ge)이 주 GeBi 상과 공존하며 입자 크기가 ~1 µm까지 도달합니다(그림 2c,d). 용해도 한계를 초과한 과량의 Bi는 결정 입계에서 분리되어 표면 거칠기를 만듭니다.

AFM 표면 거칠기
그림 3은 AFM 위상도를 보여줍니다. 근방평균제곱(RMS) 거칠기는 Bi 함량에 따라 급격히 증가하여 20.3% Bi에서 ~15 nm에 도달합니다. 증가된 거칠기는 SEM에서 관찰된 Bi 분리와 일치합니다.

라만 분광법
그림 4는 190 cm⁻¹ 근처의 Ge-Bi 진동 모드를 보여줍니다. Bi 함량 증가에 따라 피크가 강해지고 더 높은 파수 쪽으로 이동하여 격자 응력 증폭과 성공적인 Bi 도입을 나타냅니다.

근적외선 광학 특성
그림 5a는 Bi 증가에 따라 1014~2500 nm 영역에서 반사율이 감소하여 흡수 증가를 의미함을 보여줍니다. 1932~1938 nm의 흡수 골(간접 밴드갭)은 Bi > 20%에서 약해지고 사라집니다. 1446~1452 nm 근처의 직접 밴드 흡수도 고농도 Bi에서 약해집니다. 그림 5b는 Si 기판의 밴드 에지에 기인한 1020 nm 근처의 투과율 변곡점을 보여줍니다. 전반적으로 높은 Bi는 반사율을 낮추고 NIR 영역에서 투과율을 조절하여 검출기 응답도를 개선합니다.

원적외선 및 THz 응답
그림 6a와 6b는 4~15 µm 사이의 안정된 흡수 창을 보여주며, 그림 6c는 Bi가 2%에서 10.2%로 증가함에 따라 흡수율이 9.3%에서 22.6%로 증가함을 보여줍니다. 10% Bi 이상에서는 1~7.5 µm 근처에서 흡수 피크가 나타나고 더 긴 파장에서 감소하는데, 이는 표면 거칠기와 Bi 상 형성을 반영합니다. THz 투과율(그림 7)은 Bi가 2%에서 10.2%로 증가할 때 약 10% 감소하지만, 18.3~22.2% Bi에서 약간 회복되어 변조기로 활용 가능한 조절 가능한 THz 흡수를 나타냅니다.

결론

우리는 저온 MBE로 p-Si(100) 기판 위에 n형 Ge₁₋ₓBiₓ 박막(x = 0~0.222)을 성공적으로 성장시켰습니다. XRD와 SEM은 Bi 도입이 결정학적 배향과 미세구조를 결정함을 확인했고, AFM과 라만은 격자 응력 조절을 입증했습니다. 광학 연구는 적당한 Bi 도핑이 NIR 반사율을 낮추고 차단 파장을 2.3 µm까지 연장하며 THz 투과율을 조절함을 보여주어, GeBi를 광대역 적외선 검출기와 THz 변조기의 강력한 후보로 자리매김했습니다.