Lithuanian Journal of Physics article / Lietuvos fizikos žurnalo straipsnis

THICK EPITAXIAL GaAsBi LAYERS FOR TERAHERTZ COMPONENTS: THE ROLE OF GROWTH CONDITIONS
Sandra Stanionytė^a, Artūras Vailionis^b, Virginijus Bukauskas^a, Saulius Tumėnas^a, Andrius Bičiūnas^a, Andrius Arlauskas^a, Renata Butkutė^a, and Arūnas Krotkus^a
^aDepartment of Optoelectronics, Center for Physical Sciences and Technology, Saulėtekio 3, Vilnius, Lithuania
^bGeballe Laboratory for Advanced Materials, Stanford University, McCullough Bldg. 126A, CA94305, USA
E-mail: renata.butkute@ftmc.lt

Received 28 February 2018; accepted 22 March 2018

A series of 1.5 μm-thick epitaxial GaAsBi layers have been grown by molecular beam epitaxy on semi-insulating GaAs(100) substrates at temperatures ranging from 300 to 370°C. Complex studies were carried out with a focus to optimize the technological parameters for application of these layers in photoconductive THz components. The investigation of crystalline structure, layer morphology, optical properties, and characteristics of carrier dynamics was performed. Up to 12% of Bi incorporation has been confirmed by optical and structural analyses of GaAsBi layers grown at relatively low temperatures of about 300°C. The carrier lifetimes of these layers varied from 1 to 3 ps. Thick GaAsBi layers grown at higher than 350°C temperatures exhibited higher crystalline quality and longer carrier lifetimes reaching even tens of picoseconds. The Bi content in high-temperature-grown GaAsBi varied from 3 to 7% Bi.

Keywords: molecular beam epitaxy, GaAsBi, high resolution X-ray diffraction, atomic force microscopy, photoluminescence, THz spectroscopy
PACS: 81.15.Hi, 61.10.Nz, 78.55.Cr, 68.37.Ps, 81.07.St

STORIEJI EPITAKSINIAI GaAsBi SLUOKSNIAI TERAHERCINIAMS PRIETAISAMS: AUGINIMO SĄLYGŲ SVARBA SLUOKSNIŲ SAVYBĖMS
Sandra Stanionytė^a, Artūras Vailionis^b, Virginijus Bukauskas^a, Saulius Tumėnas^a, Andrius Bičiūnas^a, Andrius Arlauskas^a, Renata Butkutė^a, Arūnas Krotkus^a

^aFizinių ir technologijos mokslų centro Optoelektronikos skyrius, Vilnius, Lietuva
^bGeballe pažangių medžiagų laboratorija, Stanfordo universitas, JAV

1,5 μm storio epitaksiniai GaAsBi sluoksniai buvo auginti molekulių pluoštelio epitaksijos būdu ant puslaidininkių GaAs (100) padėklų esant 300–370°C temperatūroms. Technologinių parametrų optimizavimas buvo vykdomas turint tikslą storus GaAsBi sluoksnius taikyti teraherciniuose prietaisuose – detektoriuose ir emiteriuose. Atlikti kompleksiniai kristalinės sandaros, paviršiaus morfologijos, optinių savybių ir krūvininkų gyvavimo trukmių tyrimai atskleidė, kad auginant sluoksnius šiame temperatūrų intervale GaAs gardelėje galima pakeisti nuo 3,3 iki 12,0 % arseno atomų bismuto atomais. Įvedus iki 12,0 % bismuto draustinių energijų tarpas susiaurėjo nuo 1,42 iki 0,93 eV. Žemose temperatūrose (300°C) užauginti GaAsBi sluoksniai pasižymėjo 1–3 ps krūvininkų gyvavimo trukmėmis, o bismidai, auginti 350°C ir aukštesnėse temperatūrose, buvo tvarkingesnės kristalinės sandaros, jų gyvavimo laikas siekė net dešimtis pikosekundžių. Pasiekti rezultatai rodo, kad storieji GaAsBi sluoksniai gali būti naudojami terahercinių detektorių ir emiterių gamyboje.

References / Nuorodos

[1] A. Krotkus, Semiconductors for terahertz photonics applications, J. Phys. D 43(27), 273001 (2010),
https://doi.org/10.1088/0022-3727/43/27/273001
[2] F.W. Smith, H.Q. Le, V. Diadiuk, M.A. Hollis, A.R. Calawa, S. Gupta, M. Frankel, D.R. Dykaar, G.A. Mourou, and T.Y. Hsiang, Picosecond GaAs-based photoconductive optoelectronic detectors, Appl. Phys. Lett. 54, 890 (1989),
https://doi.org/10.1063/1.100800
[3] A. Biciunas, J. Adamonis, and A. Krotkus, Terahertz time-domain-spectroscopy system using a 1 micron wavelength laser and photoconductive components made from low-temperature-grown GaAs, J. Infrared Millim. Terahertz Waves 33(2), 183–191 (2012),
https://doi.org/10.1007/s10762-011-9857-7
[4] K. Bertulis, A. Krotkus, G. Aleksejenko, V. Pacebutas, R. Adomavicius, G. Molis, and S. Marcinkevicius, GaBiAs: A material for optoelectronic terahertz devices, Appl. Phys. Lett. 88(20), 201112 (2006),
https://doi.org/10.1063/1.2205180
[5] V. Pacebutas, K. Bertulis, G. Aleksejenko, and A. Krotkus, Molecular-beam-epitaxy grown GaBiAs for terahertz optoelectronic applications, J. Mater. Sci. Mater. Electron. 20, 363–366 (2009),
https://doi.org/10.1007/s10854-008-9625-1
[6] D.G. Cooke, F.A. Hegmann, E.C. Young, and T. Tiedje, Electron mobility in dilute GaAs bismide and nitride alloys measured by time-resolved terahertz spectroscopy, Appl. Phys. Lett. 89(12), 122103 (2006),
https://doi.org/10.1063/1.2349314
[7] B. Čechavicius, R. Adomavičius, A. Koroliov, and A. Krotkus, Thermal annealing effect on photoexcited carrier dynamics in GaBi_xAs_1-x, Semicond. Sci. Technol. 26(8), 085033 (2011),
https://doi.org/10.1088/0268-1242/26/8/085033
[8] V. Pacebutas, A. Biciunas, K. Bertulis, and A. Krotkus, Optoelectronic terahertz radiation system based on femtosecond 1 μm laser pulses and GaBiAs detector, Electron. Lett. 44(19), 1154 (2008),
https://doi.org/10.1049/el:20081630
[9] V. Pacebutas, A. Biciunas, S. Balakauskas, A. Krotkus, G. Andriukaitis, D. Lorenc, A. Pugzlys, and A. Baltuska, Terahertz time-domain-spectroscopy system based on femtosecond Yb:fibre laser and GaBiAs photoconducting components, Appl. Phys. Lett. 97(3), 031111 (2010),
https://doi.org/10.1063/1.3458826
[10] R. Butkutė, V. Pačebutas, B. Čechavičius, R. Adomavičius, A. Koroliov, and A. Krotkus, Thermal annealing effect on the properties of GaBiAs, Phys. Status Solidi C 9, 1614 (2012),
https://doi.org/10.1002/pssc.201100700
[11] S. Tixier, M. Adamcyk, T. Tiedje, S. Francoeur, A. Mascarenhas, P. Wei, and F. Schiettekatte, Molecular beam epitaxy growth of GaAs_1–xBi_x, Appl. Phys. Lett. 82, 2245 (2003),
https://doi.org/10.1063/1.1565499
[12] A. Arlauskas and A. Krotkus, THz excitation spectra of AIIIBV semiconductors, Semicond. Sci. Technol. 27, 115015 (2012),
https://doi.org/10.1088/0268-1242/27/11/115015
[13] V. Pačebutas, K. Bertulis, L. Dapkus, G. Aleksejenko, A. Krotkus, K.M. Yu, and W. Walukiewicz, Characterization of low-temperature molecular-beam-epitaxy grown GaBiAs layers, Semicond. Sci. Technol. 22, 819 (2007),
https://doi.org/10.1088/0268-1242/22/7/026
[14] M.C. Beard, G.M. Turner, and C.A. Schmuttenmaer, Transient photoconductivity in GaAs as measured by time-resolved terahertz spectroscopy, Phys. Rev. B 62, 15764 (2000),
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.62.15764
[15] K.P.H. Lui and F.A. Hegmann, Ultrafast carrier relaxation in radiation-damaged silicon on sapphire studied by optical-pump–terahertz-probe experiments, Appl. Phys. Lett. 78, 3478 (2001),
https://doi.org/10.1063/1.1375841