Conception de films minces GeBi de type n par épitaxie par faisceaux moléculaires : contrôle cristallin et performance optique infrarouge/THz

Résumé

Les alliages germanium-bismuth (Ge₁₋ₓBiₓ) sont devenus des semi-conducteurs infrarouges prometteurs grâce à leur bande interdite ajustable et leur haute mobilité des porteurs. Cette étude rapporte la croissance par épitaxie par faisceaux moléculaires (MBE) à basse température de films minces GeBi de type n avec des fractions de Bi allant de 2 % à 22,2 %. Des analyses structurales complètes par diffraction des rayons X (DRX), microscopie électronique à balayage (MEB) et microscopie à force atomique (AFM) confirment l'incorporation réussie du Bi et l'évolution de l'orientation cristallographique de (014) vers (012) à mesure que la teneur en Bi augmente. Les mesures optiques révèlent que le dopage au Bi réduit la réflectance, améliore la transmittance dans la bande proche infrarouge (NIR) et étend la longueur d'onde de coupure à 2,3 µm, couvrant les bandes C et L. La spectroscopie térahertz (THz) montre qu'une incorporation modérée de Bi diminue la transmittance THz, permettant une réponse THz ajustable. Ces résultats positionnent les films GeBi comme des matériaux polyvalents pour les dispositifs photoniques infrarouges et THz.

Contexte

L'expansion du multiplexage en longueur d'onde dense (DWDM) vers la bande L (1,56–1,62 µm) exige des détecteurs optoélectroniques fonctionnant sur toute la gamme 1,44–1,93 µm. Les alliages à base de Ge existants tels que GeSi et GeSn ont atteint des longueurs d'onde de coupure jusqu'à 1,6 µm, laissant la barrière des 2 µm non franchie pour les applications en détection infrarouge moyenne et communication en espace libre.

Le GeBi offre une alternative convaincante : en alliant le Bi au réseau de Ge, la bande interdite peut être conçue vers des longueurs d'onde plus longues tout en préservant la conductivité de type n. Des travaux antérieurs sur GeSn et GeBi ont montré le potentiel de détecteurs haute performance dans la gamme 1,3–1,6 µm, mais la longueur d'onde de coupure reste limitée. Cette étude démontre que les films GeBi cultivés par MBE peuvent atteindre une coupure à 2,3 µm, comblant efficacement l'écart entre la détection en bande C et bande L.

Procédures expérimentales

Les films GeBi ont été déposés sur des wafers Si (100) de type p à l'aide d'une chambre MBE personnalisée opérant à une pression de base de 4 × 10⁻⁹ à 5 × 10⁻¹⁰ Torr. Le Ge et le Bi provenaient de cellules d'effusion chauffées à 1200 °C et 400–550 °C respectivement, pour obtenir un rapport de flux contrôlé. La température du substrat était maintenue à 150 °C, donnant des taux de croissance entre 1,66 et 2,50 nm min⁻¹. Les paramètres de croissance détaillés sont consignés dans le Tableau 1.

La caractérisation structurelle a employé la DRX à incidence rasante, la MEB (JMS6490LV, JEOL), l'AFM (300 HV, SEIKO) et la spectroscopie Raman (LabRAM HR, Edinburgh Instruments). L'absorption et la transmittance optiques ont été mesurées avec un spectromètre UV/VIS/NIR Lambda 75 et un spectromètre infrarouge lointain à transformée de Fourier. La transmission THz a été obtenue par spectroscopie temporelle (THz-TDS).

Résultats et discussion

Analyse DRX
La figure 1 montre que tous les échantillons présentent des pics de diffraction GeBi nets. À faible Bi (x = 0,020), le film est orienté selon (014). Lorsque le Bi augmente à x = 0,102, le pic (104) diminue tandis que le pic (012) émerge. Pour x ≥ 0,183, l'orientation (012) domine, indiquant une réorientation pilotée par la contrainte due à la constante de réseau plus grande du Bi.

Morphologie MEB
La figure 2 illustre l'évolution de surface. À 2 % Bi, le film est lisse (Fig. 2a). À 10,2 % Bi, des points isolés riches en Bi (33–42 nm) apparaissent (Fig. 2b). Au-delà de 18,3 % Bi, des phases secondaires (Bi amorphe, Ge) coexistent avec la phase GeBi primaire, et les tailles de grains atteignent ~1 µm (Fig. 2c,d). L'excès de Bi au-delà de sa limite de solubilité se ségrège aux joints de grains, créant une rugosité de surface.

Rugosité de surface AFM
La figure 3 montre les topographies AFM. La rugosité quadratique moyenne (RMS) augmente fortement avec le Bi, atteignant ~15 nm à 20,3 % Bi. L'augmentation de rugosité est cohérente avec la ségrégation de Bi observée en MEB.

Spectroscopie Raman
La figure 4 montre le mode vibratoire Ge-Bi près de 190 cm⁻¹. Avec l'augmentation du Bi, le pic s'intensifie et se décale vers des nombres d'onde plus élevés, indiquant une amplification de la contrainte de réseau et une incorporation réussie du Bi.

Propriétés optiques proche infrarouge
La figure 5a montre que la réflectance diminue sur 1014–2500 nm à mesure que le Bi augmente, impliquant une absorption plus élevée. La vallée d'absorption à 1932–1938 nm (bande interdite indirecte) diminue et disparaît pour Bi > 20 %. L'absorption de bande directe autour de 1446–1452 nm s'affaiblit également avec un Bi élevé. La figure 5b montre une inflexion de transmission près de 1020 nm, attribuée au bord de bande du substrat Si. Globalement, un Bi plus élevé réduit la réflectance et ajuste la transmittance dans le NIR, améliorant la responsivité du détecteur.

Réponse infrarouge lointain et THz
Les figures 6a et 6b révèlent une fenêtre d'absorption stable entre 4–15 µm, tandis que la figure 6c montre que l'absorption augmente de 9,3 % à 22,6 % lorsque le Bi passe de 2 % à 10,2 %. Au-delà de 10 % Bi, l'absorption culmine près de 1–7,5 µm et diminue aux longueurs d'onde plus longues, reflétant la rugosité de surface et la formation de phases Bi. La transmittance THz (Figure 7) chute d'environ 10 % quand le Bi augmente de 2 % à 10,2 %, mais récupère légèrement à 18,3–22,2 % Bi, indiquant une absorption THz ajustable exploitable pour des modulateurs.

Conclusion

Nous avons cultivé avec succès des films minces Ge₁₋ₓBiₓ de type n (x = 0–0,222) sur substrats p-Si(100) via MBE à basse température. La DRX et la MEB confirment que l'incorporation du Bi dicte l'orientation cristallographique et la microstructure, tandis que l'AFM et le Raman témoignent de la modulation de la contrainte de réseau. Les études optiques démontrent qu'un dopage modéré au Bi abaisse la réflectance NIR, étend la coupure à 2,3 µm et module la transmittance THz, positionnant le GeBi comme candidat solide pour les détecteurs infrarouges large bande et les modulateurs THz.

Abréviations

AFM :

Microscopie à force atomique

MBE :

Épitaxie par faisceaux moléculaires

MEB :

Microscopie électronique à balayage

THz :

Térahertz

DRX :

Diffraction des rayons X