Printer Friendly

Growth and investigation of epitaxial GaBiAs layers/Epitaksiniu GaBiAs sluoksniu auginimas ir savybiu tyrimas.

Ivadas

Dabartiniu metu trinariai GaAs su In, Cr, Fe, Al, N ar Mn junginiai placiai naudojami tranzistoriuose, spintronikos prietaisuose, sviesos ir lazeriniuose dioduose, saules elementuose ir kituose puslaidininkiniuose prietaisuose (Lewis et al. 2009; Przybylski et al. 2004; Saffarzadeh et al. 2006; Oh et al. 2004; Shunichi Sato et al. 1998; Korkut et al. 2009; Song et al. 2009). Visai neseniai pradeti tyrineti GAs junginiai, silpnai atskiesti Bi (iki desimties procentu). Tai visiskai nauja puslaidininkine medziaga, pasizyminti unikaliomis savybemis. Buvo pastebeta, jog silpnai atskiedus GaAs bismutu, labai sumazeja junginio draustiniu energiju tarpas, o jo dydis ima nedaug priklausyti nuo temperaturos (Oe et al. 1995; Oe et al. 1996). Tai leidzia valdyti medziagos draustiniu energiju tarpa ir pritaikyti prietaisu gamybai. Vienas is panaudojimu yra puslaidininkiniai sviestukai (angl. LED--light emmision diode), kuriu spinduliuojamos sviesos spektras turi islikti stabilus kintant temperaturai. Bi ivedimas iskraipo GaAs valentine juosta, o laidumo juosta lieka nepakitusi, todel tai neturi itakos elektronu judriui (Cooke et al. 2006). Kadangi ploni GaBiAs sluoksniai pasizymi itin trumpomis kruvininku gyvavimo trukmemis (iki 1 ps), si medziaga yra tinkama ultraauksto daznio optoelektronikos prietaisams--kvantu kaskadu lazeriuose, optinio rysio elementuose, teraherciniam elektromagnetiniu bangu diapazonui jautriuose elementuose. Pastebeta, kad vis tik iki siol sis elektromagnetiniu bangu diapazonas buvo labai mazai istirtas, nes optiniai prietaisai veikia pradedant infraraudonaja sritimi, o elektroniniai--tokio auksto veikimo daznio niekada nepasiekdavo. Siuo poziuriu, terahercinio diapazono prietaisai labai praplestu daugelio mokslo ir technikos sriciu, tokiu kaip rysiu technika, medicina, naujo tipo apsaugos sistemos, moksliniai tyrimai ir pan., galimybes.

Darbe istirta technologiniu salygu--padeklo temperaturos ir Bi pluostelio intensyvumo--itaka elektroninei sluoksnio sandarai, pavirsiaus morfologijai bei elektrinems savybems.

GaBiAs sluoksniu auginimas

GaBiAs sluoksniai buvo auginami molekuliniu pluosteliu epitaksijos (angl. MBE--molecular beam epitaxy) budu ant monokristaliniu (001) orientacijos ir 3[degrees] kampu (001) plokstumai nupjautu ir nupoliruotu pusiau-izoliuojanciu GaAs padeklu. Svarbiausi technologiniai parametrai auginant GaBiAs sluoksnius, yra padeklo temperatura ir Bi/As pluosteliu intensyvumu santykis. Yra zinoma, kad Bi linkes segreguoti i sluoksnio pavirsiu (Young et al. 2003). Siekiant ivesti kuo didesni Bi, siame darbe padeklo temperatura sumazinta iki 240-330 [degrees]C. Pries auginima GaAs padeklas buvo kaitinamas 580 [degrees]C temperaturoje. Kadangi sioje temperaturoje arsenas gali nugaruoti nuo padeklo, kaitinimas buvo vykdomas As sraute. Aukstatemperaturis 400-500 nm storio GaAs pasluoksnis buvo auginamas 560 [degrees]C temperaturoje, po to sumazinus padeklo temperatura iki 240-330 [degrees]C buvo auginamas zema temperaturis GaBiAs sluoksnis. Kai kuriuose bandiniuose, uzauginus aukstatemperaturi buferini GaAs sluoksni, pries garinant GaBiAs, buvo auginamas 300-400 nm storio zematemperaturis GaAs pasluoksnis. Trinario sluoksniu auginimo greitis buvo apie 1,5-2,0 [micro]m/val., o storis kito nuo 0,3 iki 2,0 [micro]m. Padeklu kaitinimo procesas (pries sluoksniu auginima) ir auginamu sluoksniu kokybe buvo vertinama, stebint dideles energijos atspindetu elektronu difrakcijos (angl. RHEED--Reflection high-energy electron diffraction) vaizda. Ekvivalentiniai Ga, As ir Bi pluosteliai buvo keiciami, didinant saltiniu temperaturas, 0 ju santykiai buvo ivertinami pasitelkiant masiu spektroskopijos parodymus: [As.sup.++]/[Ga.sup.++] ir [Bi.sup.+] + [Bi.sup.++].

Sluoksniu pavirsiaus morfologija buvo tirta atominiu jegu mikroskopu--AJM (angl. AFM--atomic force microscope), o lygumas ir ju storis--profilometru. GBiAs sluoksniu draustiniu energiju tarpai buvo ivertinti, matuojant optini pralaiduma 800-1800 nm bangu ilgiu diapazone ir atidedant sugerties kvadrato priklausomybe nuo kvanto energijos. Naudojant dideles skyros rentgeno spinduliu difrakcijos metoda (angl. XRD--X-ray diffraction), buvo nustatomas i gardele iejusio Bi kiekis. Termozondu buvo nustatomas puslaidininkio laidumo tipas, o is Holo efekto remiantis Van der Pauw metodu (Heiman 2009) surasta kruvininku koncentracija ir judris.

Rezultatu aptarimas

Sluoksniu pavirsiaus tyrimas

Visu uzaugintu sluoksniu pavirsiaus lygumas buvo tiriamas atominiu jegu mikroskopu. Daugelyje AJM vaizdu buvo stebeta Bi klasteriu segregacija sluoksnio pavirsiuje. 1 pav. pateikta tipine GaBiAs sluoksnio, uzauginto esant 280 [degrees]C temperaturai, morfologijos nuotrauka. Joje aiskiai matome susiformavusius keliu-keliasdesimties nm dydzio bismuto laselius.

Bismuto koncentracijos nustatymas rentgenografiniu tyrimo metodu

Iejusio i gardele Bi kiekis buvo nustatomas matuojant rentgeno spinduliu difrakcijos spektrus nuo kristalografiniu GaBiAs ir GaAs plokstumu. Kadangi Bi atomai yra didesni nei Ga ir As atomai, ivedant Bi i GaAs gardele yra iskraipoma. Todel rentgeno spinduliu difrakcijos spektre salia GaAs budingo reflekso mazesniu kampu srityje stebimas papildomas atspindys, priskiriamas GBiAs junginiui. 2 pav. pateiktas budingas rentgeno spinduliu difrakcijos nuo (004) kristalografines plokstumos A(20) spektras. Paveiksle aiskiai issiskiria dvi charakteringos smailes, priskiriamos GaAs ir GaBiAs junginiams. Is GaBiAs smailes maksimumo kampo poslinkio, lyginant su GaAs, buvo nustatyta, kiek Bi istirpe galio arsenide. Rentgenografiniais matavimais ivertintas Bi kiekis uzaugintuose sluoksniuose pateiktas 1 lenteleje.

[FIGURE 1 OMITTED]

[FIGURE 2 OMITTED]

Optinio pralaidumo matavimu rezultatai

Optinis pralaidumas buvo matuojamas, siekiant ivertinti ivedamo Bi kiekio poveiki GaBiAs sluoksniu draustiniu energiju tarpui. Pralaidumo T = I / [I.sub.0] spektrai buvo matuojami 800-1800 nm bangu ruoze (3 pav.). Ismatavus kritusios [I.sub.0] ir praejusios I pro bandini sviesos intensyvumus bei pasinaudojus Bugerio desniu

I/[I.sub.0] = [e.sup.-[alpha] x d], (1)

buvo atidedama sugerties [alpha] kvadrato priklausomybe nuo energijos kvanto. Formuleje d zymimas sluoksnio storis.

[FIGURE 3 OMITTED]

Is sios priklausomybes, ekstrapoliuojant tiesines kreiviu dalis i nuline sugerties verte, buvo randamos draustiniu energiju tarpo [E.sub.g] vertes. Budingieji GaBiAs sluoksniu sugerties kvadrato spektrai skirtingiems bandiniams pateikti 4 pav.

[FIGURE 4 OMITTED]

5 pav. pavaizduota tiesine draustiniu energiju tarpo priklausomybe nuo Bi koncentracijos GaBiAs junginyje. Matome, jog ivedant didesni Bi kieki i GaAs, Eg vertes slenka i mazesniu energiju puse (nuo 1,15 eV iki 0,93 eV).

Gautas draustiniu energiju vertes susiejus su is rentgenografiniais matavimais nustatytomis bismuto koncentracijomis, galima padaryti isvada, jog 1 % bismuto, draustiniu energiju tarpa, musu uzaugintuose GaBiAs sluoksniuose, sumazina mazdaug 70 meV.

[FIGURE 5 OMITTED]

Elektriniai matavimai

Van der Pauw metodu matuoto Holo efekto bei optiniu ir rentgenografiniu tyrimu rezultatai apibendrinti ir pateikti 1 lenteleje.

Lenteleje d zymi sluoksnio stori, [T.sub.p]--padeklo temperatura, [E.sub.g]--draustiniu energiju tarpa, n--kruvininku tanki, [mu]--skyliu judri.

Is lenteles matome, jog visi uzauginti GaBiAs sluoksniai pasizymi skyliniu laidumu. Kruvininku koncentracija juose sieke [10.sup.14]-[10.sup.15] [cm.sup.-3], o judriai palyginti su galio arsenido vertemis vis dar yra nedideli.

Isvados

GaBiAs sluoksniai buvo uzauginti ant GaAs (100) padeklu. Atominiu jegu mikroskopu istirta pavirsiaus morfologija ir nustatyta, jog sluoksniu pavirsiuje susidaro Bi telkiniai. Is optiniu ir rentgenografiniu tyrimu nustatyta, kad GaBiAs draustiniu energiju tarpas mazejo nuo 1,15 iki 0,86 eV, kai i GaBiAs gardele iejusio Bi koncentracija atitinkamai didejo nuo 4,4 iki 11,3 %. Maziausias draustiniu energiju tarpas ([E.sub.g] = 0,86 eV) ir didziausia kruvininku koncentracija 3,2 x [10.sup.15] [cm.sup.-3] ismatuota GaBiAs sluoksniui su 11,3 % Bi kiekiu.

Padeka

Darbas is dalies buvo finansuojamas Lietuvos Mokslo Tarybos pagal studentu moksliniu tyrimu programa (B-2010/3/SMT108-030) ir vykdant Aukstuju technologiju pletros programa, projektas AUT-13/2010.

doi: 10.3846/mla.2011.011

Literatura

Cooke, D. G.; Young, E. C.; Hegmann, F. A.; Tiedje, T. 2006. Electron mobility in dilute GaAs bismide and nitride alloys measured by time-resolved terahertz spectroscopy, Appl.Phys.Lett 89(122103). doi:10.1063/1.2349314

Heiman, D. 2009. Van der Pauw Hall Effect Measurement [interaktyvus], [ziureta 2010 10 27]. Prieiga per interneta: <nuweb.neu.edu/dheiman/U600/ vdPauw.pdf>.

Korkut, H.; Yildirim, N.; Turut, A. 2009. Temperature-dependent current-voltage characteristics of Cr/n-GaAs Schottky diodes, Microelectronic Engineering 86(1): 111-116. doi:10.1016/j.mee.2008.10.005

Lewis, R. B.; Beaton, D. A.; Xianfeng, Lu; Tiedje, T. 2009. GaAs1-xBix light emitting diodes, Journal of Crystal Growth 311(7): 1872-1875.

Oe, K.; Asai, H. 1995. Record Electronic Materials Symp. IzuNagaoka. 191 p.

Oe, K.; Asai, H. 1996. Proposal on a temperature insensitive wavelength semiconductor laser, IEICE Transactions on Electronics E79-C 12: 1751-1759.

Oh, T. K.; Baek, C. H.; Kang, B. K 2004. Surface treatment for enhancing current gain of AlGaAs/GaAs heterojunction bipolar transistor, Solid-State Electronics 48(9): 1549-1553.

Przybylski, M.; Zavaliche, F.; Grabowski, J.; Chakraborty, S; Kirschner, J. 2004. Out-of-plane magnetized Fe-based multilayers on GaAs (001), Vacuum 74(2): 273-277. doi:10.1016/j.vacuum.2003.12.140

Saffarzadeh, A.; Shokri, Ali A. 2006. Quantum theory of tunneling magnetoresistance in GaMnAs/GaAs/GaMnAs heterostructures, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 305(1): 141-146. doi:10.1016/jjmmm.2005.12.001

Shunichi Sato, Shiro Satoh. 1998. Metalorganic chemical vapor deposition of GaInNAs lattice matched to GaAs for long-wavelength laser diodes, Journal of Crystal Growth 192(3/4): 381-385. doi:10.1016/S0022-0248(98)00442-4

Song, Q.; Chow, K. H.; Miller, R. I.; Fan, I.; Hossain, M. D.; Kiefl, R. F.; Kreitzman, S. R.; Levy, C. D. P.; Parolin, T. J.; Pearson, M. R.; Salman, Z.; Saadaoui, H.; Smadella, M.; Wang, D.; Yu, K. M.; Liu, X.; Furdyna, J. K.; MacFarlane, W. A. 2009. Beta-detected NMR study of the local magnetic field in epitaxial GaAs:Mn, Physica B: Condensed Matter 404(5/7): 892-895. doi:10.1016/j.physb.2008.11.143

Young, E. C.; Tixier, S.; Tiedje, T. 2005. Bismuth surfactant growth of the dilute nitride GaNxAs1-x, Journal of Crystal Growth 279(3/4): 316-320. doi:10.1016/j.jcrysgro.2005.02.045

Andrius Ruseckas (1), Renata Butkute (2), Klemensas Bertulis (3), Leonas Dapkus (4), Vaidas Pacebutas (5)

(1,2) Vilniaus universitetas, (2,3,4,5) Valstybinis moksliniu tyrimu institutas, Fiziniu ir technologijos mokslu centras, Puslaidininkiu fizikos institutas El. pastas: (1) andrius.ruseckas@gmail.com
1 lentele. Matavimu rezultatai

Table 1. The results of measurements

Padeklo Nr.                   8      9      12     13     14     29

d [micro]m                   1,1    1,5           0,66   0,43
[T.sub.p][degrees]C          280    330    280    280    280    280
Bi %                         8,4    4,4    5,3    7,5    6,7    11,3
[E.sub.g] eV                 0,93   1,15   1,11   0,99   1,02   0,86
Laidumo tipas                 p      p      p      p      p      p
n [10.sup.15] [cm.sup.-3]    0,3    0,76   0,38          2,0    3,2
[micro] [cm.sup.2]/V x s      5     136     73           233     15
COPYRIGHT 2011 Vilnius Gediminas Technical University
No portion of this article can be reproduced without the express written permission from the copyright holder.
Copyright 2011 Gale, Cengage Learning. All rights reserved.

Article Details
Printer friendly Cite/link Email Feedback
Title Annotation:Electronics and Electrical Engineering/Elektronika ir elektrotechnika
Author:Ruseckas, Andrius; Butkute, Renata; Bertulis, Klemensas; Dapkus, Leonas; Pacebutas, Vaidas
Publication:Science - Future of Lithuania
Article Type:Report
Geographic Code:4E
Date:Feb 1, 2011
Words:1619
Previous Article:Estimation of otoacoustic emision signals by using synchroneous averaging method/Otoakustines emisijos signalu ivertinimas panaudojant sinchronini...
Next Article:Research of self-formation nanostructures/Nanodariniu formavimosi procesu tyrimas.
Topics:

Terms of use | Privacy policy | Copyright © 2021 Farlex, Inc. | Feedback | For webmasters