분자 빔 에피택시로 GaAs 위 성장 InAs/GaSb 중·장파 적외선 초격자 면내 전기 수송

요약

본 연구에서는 분자 빔 에피택시(MBE) 시스템으로 GaAs(001) 기판 위 성장한 중파(MWIR) 및 장파(LWIR) 적외선 InAs/GaSb Ⅱ형 초격자(T2SL) 면내 전기 수송 특성 보고. T2SL과 GaAs 기판 간 큰 격자 상수 불일치는 계면 부적합 배열(IMF) 기술 기반 GaSb 완충층 성장으로 감소. InAs/GaSb T2SL 변형 보상 위해 특수 셔터 시퀀스 활용, InSb-유사 및 GaAs-유사 계면 형성. MWIR InAs/GaSb T2SL은 저온 p형, 고온 n형 전도 나타냄. 흥미롭게도 전도 타입 변화 온도는 성장 온도 의존. 반면 LWIR T2SL 전도는 전자만 지배. 중요: LWIR T2SL 저온 지배적 산란 메커니즘은 계면 거칠기 산란.

배경

1977년 Sai-Halasz 등[1] InAs/GaSb T2SL 개념화 이후 이 반도체 소재 연구에 큰 관심. 이 T2SL 기반 포토디텍터는 수은 카드뮴 텔루라이드(HgCdTe) 및 차세대 적외선(IR) 응용 최첨단 소재 시스템 대비 이론적 높은 잠재력[2,3]. 흥미롭게 InAs/GaSb T2SL은 비정상 Ⅱ형 붕괴 갭 밴드 정렬 보임: InAs 전도대 최솟값이 GaSb 원자가대 최상위보다 140meV 낮음[1]. 결과적으로 중공 서브밴드와 전도대 바닥 사이 근본 전이는 InAs 또는 GaSb 층 두께 의존[4]. 이 정렬 주 장점은 원자가대 비복사 경로 억제로 오제 재결합률 감소[5]. 또한 큰 유효 질량(≈0.04m₀) 전자, 정공으로 밴드간 터널링 현저 감소[6]. 이 두 특성 암전류 감소로 포토디텍터 고동작 온도(HOT) 가능.

InAs/GaSb T2SL은 전통적으로 격자 매칭 GaSb 기판 위 성장. 그러나 GaSb 기판 고가, 3인치 미만 소형만 가능, 대형 포칼 플레인 어레이(FPA) 구현 저해[7]. 게다가 GaSb 기판 "에피 레디" 아님, 성장 표면 다수 거시 결함 포함[8]. 또한 IR 복사 5µm 이상 흡수 계수 상대적 높음(≈100cm⁻¹)[9]. 다수 장점으로 GaAs가 InAs/GaSb T2SL 성장 유력 후보 제안[10,11,12]. "에피 레디", 비용 효율, 6인치까지 대형 가능. 게다가 GaAs 흡수 계수 GaSb보다 2수량급 낮음. 불행히 GaAs와 InAs/GaSb T2SL 간 ~7.5% 거대한 격자 상수 불일치로 높은 부적합 전위 밀도(10⁹cm⁻²)[13]. 따라서 변형 완화, 전위 밀도 감소 새 성장 기술 필수. 저온 핵생성[14], IMF 기술[15,16] 등.

InAs/GaSb T2SL 기반 포토디텍터 성능 개선 위해 기본 파라미터 이해 필요. 배경 캐리어 농도는 소수 캐리어 수명, 확산 길이 연관. InAs, GaSb 벌크 소재 반대 극성 캐리어 농도 가짐 주목. MBE 성장 InAs, GaSb 잔여 n형, p형[17,18]. 결과적으로 InAs/GaSb T2SL 전도도 각 구성요소 두께 의존 예측.

본 논문에서 MWIR 검출용 10ML InAs/10ML GaSb, LWIR용 24ML InAs/7ML GaSb T2SL 반절연 GaAs(001) 기판 위 성장 면내 수송 특성 조사. 반데르파우 법 온도 의존 홀 효과 측정 수행. T2SL 전도에 성장 온도 영향도 제시.

방법

InAs/GaSb T2SL 시료 반절연 GaAs(001) 기판 위 RIBER Compact 21-DZ 고체원 MBE 시스템 성장. 표준 유출 셀 Ⅲ족 원소(인듐, 갈륨), 밸브 크랙커 셀 Ⅴ족 물질(비소, 안티모니) 장착. 크랙커 온도 As, Sb 모두 900°C 유지, As₂, Sb₂ 생성. 매니퓰레이터 열전대(TC), BandiT(BT) 성장 온도 모니터. BT로 GaAs 산화물 탈착 온도 보정 후 610°C 탈산화. 585°C(BT) 250nm GaAs 층 증착 매끄러운 시작 표면 확보. 이후 IMF 기술[16,19]로 BT 440°C 1µm GaSb 완충층 성장. 이 기술은 GaAs/GaSb 계면 주기적 90° 부적합 전위 배열 형성, 낮은 전위 밀도(≈10⁶cm⁻²)[20] 유도. GaSb 완충층 성장 후 BT 사용 불가(방사율 변화, 표면 거칠기, 추가 복사 흡수 메커니즘)[21]. Thus T2SL 성장 온도 TC만 제어. MWIR 10ML InAs/10ML GaSb T2SL 330, 390, 400°C(TC) 다른 기판 온도 성장, 성장 온도 수송 특성 영향 조사. LWIR 24ML InAs/7ML GaSb T2SL 390°C 단일 온도 증착. InAs, GaSb 변형 보상 위해 특수 셔터 시퀀스[22,23] 사용: InAs 성장 후 8초 Sb 소크로 InSb-유사 결합 형성, GaSb 성장 후 2초 As 소크로 GaAs-유사 계면 성장. V/Ⅲ 플럭스비 InAs 8.3, GaSb 4.6. 성장률 InAs, GaSb 모두 0.5ML/s. 성장 RHEED 시스템으로 in-situ 모니터.

성장 시료 고해상도 X-선 회절(HRXRD, PANalytical X'Pert) 구조 특성 평가. Cu Kα₁ 방사선(λ≈1.5406Å) 라인 포커스, 4바운스 Ge(004) 모노크로마터 사용. 수송 특성 홀 효과 측정 반데르파우 법, ECOPIA 시스템, 80-300K 온도 범위. 6×6mm² 정방 시료, 인듐 도트 각 모서리 접촉. 0.4T 자기장 시료 법선 방향 인가.

결과 및 논의

그림 1 MWIR, LWIR InAs/GaSb T2SL 대칭 (004) 반사 측정 및 시뮬레이션 HRXRD 2θ-ω 스캔 곡선. 시뮬레이션 PANalytical X'Pert "Epitaxy" 소프트웨어 수행. 잘 분해된 위성 피크 MWIR T2SL 4차, LWIR 7차까지 관측. 특히 LWIR T2SL 높은 구조적 품질 지시. 반면 ω-2θ 방향 영차 피크 반치전폭(FWHM) MWIR, LWIR 각각 107, 99 arcsec. 초격자 주기(L) 인접 위성 간 각도 거리(Δθ)로 결정:

$$ L=\lambda /\left(2\times \Delta \theta \times \mathit{\cos}{\theta}_{SL}\ \right) $$ (1)

λ 앞서 언급 입사 X-선 파장, θ_SL 초격자 영차 피크 브래그 각. 그림 1에서 MWIR, LWIR T2SL 주기 각각 6.74±0.01, 10.24±0.02nm. 측정 곡선 시뮬레이션 피팅으로 MWIR T2SL 1주기 조성: GaSb 3.4nm(11.2ML), GaAs 0.1nm(0.2ML), InAs 3.0nm(10.1ML), InSb 0.2nm(0.5ML). LWIR T2SL 구성요소 두께: GaSb 2.3nm(7.5ML), GaAs 0.1nm(0.2ML), InAs 7.4nm(24.7ML), InSb 0.4nm(1ML). 영차 피크와 GaSb 완충층 간 각도 결정 격자 상수 불일치 MWIR, LWIR 각각 8.9×10⁻³, 4.5×10⁻³. 그림 2 성장 T2SL 비대칭 (115) 역공간 맵(RSM). 두 시료 모두 초격자 위성, GaSb 피크 수직 정렬(동일 산란 벡터 Q_x 성분), 두 T2SL 실질적 완전 변형 상태 결론.

MWIR a 및 LWIR b InAs/GaSb T2SL HRXRD 004 2θ-ω 스캔. 실험(검은 선) 및 시뮬레이션(빨간 선) HRXRD 2θ-ω 스캔 (004) 반사 a MWIR T2SL; 4차까지 잘 분해된 위성 피크, 초격자 양호 품질 특성. 영차 피크 FWHM 107 arcsec, b LWIR InAs/GaSb T2SL; 7차 위성 피크, 높은 결정 품질 확인. 영차 피크 FWHM 99 arcsec. 각 초격자 주기 인접 위성 간 거리로 계산

성장 T2SL 비대칭 115 RSM a MWIR b LWIR InAs/GaSb T2SL. 비대칭 반사 (115) 역공간 맵 a MWIR b LWIR InAs/GaSb T2SL. 두 초격자 피크 수직 정렬(동일 Q_x 값). 따라서 MWIR, LWIR 두 초격자 실질적 완전 변형 상태

성장 MWIR InAs/GaSb T2SL 면내 전기 파라미터 그림 3. 비의도적 도핑 InAs/GaSb T2SL 재현 가능한 전도 타입 변화 보임. GaSb 완충층(p형) 홀 효과 측정 영향에도 불구, 전도 타입 변화는 T2SL 층 단독 기인. 이 변화 여러 그룹 보고[6,24,25,26]. T2SL T_ch 아래 p형, 위 n형 전도. 앞서 언급 InAs, GaSb 층 각각 n형, p형 전도. 따라서 유사 두께 두 구성요소 InAs/GaSb T2SL 잔여 배경은 T2SL 이진 구성요소 다수 캐리어 보상 유도[27]. T_ch 값: Mohseni 등[6] 140K, Christol 등[24] 190K, Khoshakhlagh 등[25] 200K 보고. 시트 캐리어 농도, 이동도 거동 잘 알려진 고유 포논 산란(음향, 압전, 극성, 비극성 광학) 메커니즘 지배. 예외적으로 홀 이동도 T_ch 위 온도 증가(그림 3b); 이는 InSb 계면 GaSb-on-InAs 계면 이온화 트랩 때문으로 추정[6]. T_ch 값 330, 390, 400°C 성장 T2SL 각각 145, 195, 225K(그림 3); 고성장 온도 높은 정공 농도 T_ch 하방 이동 때문 추정. 높은 정공 농도 고온 결함, 이온화 공공 기인. 390°C 성장 InAs/GaSb T2SL 80, 300K 캐리어 농도 1.8×10¹⁶, 2.5×10¹⁶cm⁻³. Mohseni 등[6](홀 농도 1.5-4×10¹⁷cm⁻³)보다 우수, Christol 등[24](100, 300K 1.6×10¹⁶, 6×10¹⁶cm⁻³) 실질적 동일. 홀 이동도 80, 300K p형 1300, n형 3200cm²/V·s. Christol 등[24](100, 300K 100, 1800cm²/V·s) 대비 훨씬 높음.

a 홀 농도 b 홀 이동도 MWIR InAs/GaSb T2SL 다양한 성장 온도. a 홀 농도: 세 T2SL 전도 타입 변화. 저온 p형, 고온 n형. b 홀 이동도: 이동도 경향 두 영역. 저온 다양한 산란 메커니즘으로 감소. 고온 온도 증가로 이동도 증가, InSb-유사 계면 이온화 트랩 설명 가능. 전도 변화 온도 성장 온도 증가시 증가, 고온 높은 결함 준위 때문

세 다른 시료 저항율 그림 4. 저항율-온도 두 명확한 기울기. 각 시료 아레니우스 법칙 두 열활성화 에너지 추출. n형 영역 활성화 에너지 E_an 330, 390, 400°C 성장 각각 58, 72, 68meV. p형 영역 E_ap 330, 390, 400°C 각각 7, 12, 14meV. 저온(아래 T_ch) T2SL E_ap 연관 p형 캐리어 지배로 p형. T_ch 위 온도 높은 활성화 에너지 E_an 깊은 준위 캐리어 활성화로 n형 전도. 깊은 준위 소스 벌크 InAs 얕은 준위, InAs/InAs/GaSb T2SL 밴드 정렬 결과 InAs/GaSb T2SL 깊은 준위 역할[28].

MWIR InAs/GaSb T2SL 성장 a 330°C, b 390°C, c 400°C 홀 저항율. a 330°C, b 390°C, c 400°C 증착 MWIR InAs/GaSb T2SL 홀 저항율. 각 그래프 두 명확한 기울기. 아레니우스 법칙 두 열에너지 추출, 두 불순물 준위 존재 확인. 하나 n형 캐리어, 둘째 p형 캐리어 대응. n형 캐리어 연관 깊은 불순물 준위 InAs와 InAs/GaSb T2SL 밴드 정렬 결과

LWIR InAs/GaSb T2SL 홀 농도, 이동도, 저항율 그림 5. MWIR T2SL 반대 이 시료 전도 타입 변화 없음. n형 전도만 보임. 이 n형 T2SL(고이동도 캐리어) p형 GaSb 완충층(저이동도 캐리어) 홀 효과 측정 영향 무시 가능, 홀 이동도 캐리어 이동도 제곱 비례. Khoshakhlagh 등[25] 13ML InAs/7ML GaSb T2SL 동일 결과 보고. 추가 Szmulowicz 등[29] LWIR T2SL InAs 층 GaSb보다 두꺼우면 n형 경향 지적. 이 n형 전도 두꺼운 InAs 층(잔여 n도핑) GaSb 대비 기인. 이 n형 캐리어 33meV 활성화 에너지 연관(그림 5b). 홀 농도, 이동도 거동 n형 반도체 전형적, 단 95K 이하 온도 영역 제외: 캐리어 농도, 이동도 거의 온도 독립. 온도 독립 산란 메커니즘 존재 지시. 이는 계면 거칠기 산란(IRS) 메커니즘[30-34] 입증. IRS 메커니즘 저온 포논 산란 동결 영역 지배[35]. IRS 메커니즘 계면 존재, 층 두께 변동 결과 전자 에너지 준위 변동, 캐리어 산란 소스 역할[35]. 게다가 IRS 지배 홀 이동도 InAs 두께 6.2제곱 비례(μ∝d_InAs^6.2)[35].

a 홀 농도, 홀 이동도, b 홀 저항율 비의도적 도핑 LWIR InAs/GaSb T2SL. a 홀 농도, 이동도: 이 초격자 전체 온도 범위 n형 전도만. 홀 농도 온도 증가로 증가(이온화 효과). 홀 이동도 95K 이상 온도 다양한 산란 메커니즘(포논, 이온화 불순물) 지배. 95K 이하 이동도 일정(홀 농도도), 또 다른 온도 독립 산란 메커니즘 존재 확인. 이는 계면 거칠기 메커니즘. b 홀 저항율: 아레니우스 법칙 단일 열에너지 단일 불순물 준위 대응

결론

요약: InAs/GaSb T2SL GaAs 기판 위 IMF 기술 기반 GaSb 완충층으로 성장. MWIR, LWIR 검출 영역 시연. MWIR T2SL 온도 증가 p→n형 전도 타입 변화 발견. 변화 온도 T2SL 성장 온도 증가와 함께 증가. 이 전도 타입 변화 두 다른 활성화 에너지 가진 두 불순물 준위 존재 기인. 반면 LWIR InAs/GaSb T2SL 전도 전체 온도 범위 n형 입증. 기존 산란 메커니즘 추가 IRS 메커니즘 저온 지배적 산란 메커니즘 입증. 이 결과 InAs/GaSb T2SL 물리적 특성 더 나은 이해 가능, 이 소재 기반 IR 포토디텍터 성능 개선 기여.

약어

BT:

BandiT

FPAs:

포칼 플레인 어레이

FWHM:

반치전폭

HOT:

고동작 온도

HRXRD:

고해상도 X-선 회절

IMF:

계면 부적합 배열

IR:

적외선

IRS:

계면 거칠기 산란

LWIR:

장파 적외선

MBE:

분자 빔 에피택시

MWIR:

중파 적외선

RHEED:

반사 고에너지 전자 회절

RSM:

역공간 맵

T2SL:

Ⅱ형 초격자

TC:

열전대