Импульсное лазерное напыление полупроводниковых тонких пленок III-V: обзор
О.В. Девицкий1,2
1 ФГБУН «Федеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук»
2 ФГАОУ ВО «Северо- Кавказский федеральный университет»
DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.621
Обзор
Аннотация: В настоящем обзоре описываются новейшие достижения в области импульсного лазерного напыления полупроводниковых тонких пленок III-V на различные подложки. Показано, что метод импульсного лазерного напыления является перспективным и достаточно эффективным для получения тонких пленок широкого спектра материалов и принципиально отличается от всех известных методов получения тонких пленок тем, что он является дискретным. Эпитаксиальный рост тонких пленок III-V важен для создания новых приборов современной оптоэлектроники. В обзоре приводятся экспериментально полученные зависимости влияния некоторых параметровметода импульсного лазерного напыления на структурные, оптические, некоторые электрические свойства и стехиометрию состава бинарных и многокомпонентных тонких пленок III-V. Показано, что получения наиболее структурно совершенных тонких пленок III-V необходимо использовать фемто- и наносекундные лазеры с длинной волны от 248 нм до 532 нм, плотность энергии в импульсе должна составлять 3 Дж/см-2, а значение температуры подложки должно находиться в диапазоне от 300°C до 400°C. Мишень должна быть монолитной и иметь наиболее возможную плотность.
Ключевые слова: импульсное лазерное напыление, тонкие пленки, соединения III-V, температура подложки, плотность энергии, стехиометрия
- Девицкий Олег Васильевич – к.т.н., ведущий научный сотрудник лаборатории физики и технологии полупроводниковых наногетероструктур для СВЧ-электроники и фотоники, ФГБУН «Федеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук», старший научный сотрудник научно-образовательного центра фотовольтаики и нанотехнологии ФГАОУ ВО «Северо- Кавказский федеральный университет»
Ссылка на статью:
Девицкий, О.В. Импульсное лазерное напыление полупроводниковых тонких пленок III-V: обзор / О.В. Девицкий // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2024. — Вып. 16. — С. 621-630. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.621.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Shepelin, N.A. A practical guide to pulsed laser deposition / N.A. Shepelin, Z.P. Tehrani, N. Ohannessian et al. // Chemical Society Reviews. – 2023. – V. 52. – I. 7. – P. 2294-2321. DOI: 10.1039/d2cs00938b.
2. Conde Garrido, J.M. A review of typical PLD arrangements: Challenges, awareness, and solutions / J.M. Conde Garrido, J.M. Silveyra // Optics and Lasers in Engineering. – 2023. – V. 168. – Art. № 107677. – 19 p. DOI: 10.1016/j.optlaseng.2023.107677.
3. Wang, B. Recent progress in high-performance photo-detectors enabled by the pulsed laser deposition technology / B. Wang, Z. Bin Zhang, S.P. Zhong et al. // Journal of Materials Chemistry C. – 2020. – V. 8. – I. 15. – P. 4988-5014. DOI: 10.1039/c9tc07098b.
4. Masood, K.B. A comprehensive tutorial on the pulsed laser deposition technique and developments in the fabrication of low dimensional systems and nanostructures / K. B. Masood, P. Kumar, M.A. Malik et al. // Emergent Materials. – 2021. – V. 4. – I. 3. – P. 737–754. DOI: 10.1007/s42247-020-00155-5.
5. Ojeda-G-P, A. Influence of plume properties on thin film composition in pulsed laser deposition / A. Ojeda- G-P, M. Döbeli, T. Lippert // Advanced Materials Interfaces. – 2018. – V. 5. – I. 18. – Art. № 1701062. – 16 p. DOI: 10.1002/admi.201701062.
6. Wolfman, J. Interface combinatorial pulsed laser deposition to enhance heterostructures functional properties / J. Wolfman, B. Negulescu, A. Ruyter et al. In book: Practical Applications of Laser Ablation; ed. by D. Yang. – London: IntechOpen Limited, 2021. – P. 3-21. DOI: 10.5772/intechopen.94415.
7. Eason, R.W. Multi-beam pulsed laser deposition for advanced thin-film optical waveguides / R.W. Eason, T.C. May-Smith, K.A. Sloyan et al. // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2014. – V. 47. – № 3. – Art. № 034007. – 15 p. DOI: 10.1088/0022-3727/47/3/034007.
8. Stokker-Cheregi, F. Photoluminescence of Eu-doped LiYF4 thin films grown by pulsed laser deposition and matrix-assisted pulsed laser evaporation / F. Stokker-Cheregi, A. Matei, M. Dinescu et al. // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2014. – V. 47. – № 4. – Art. № 045304. – 6 p. DOI: 10.1088/0022-3727/47/4/045304.
9. Aggarwal, V. Fabrication of ultra-violet photodetector on laser MBE grown epitaxial GaN nanowalls on sapphire (11–20) / V. Aggarwal, S. Gautam, U. Varshney et al. // Journal of Materials Research. – 2023. – V. 38. – I. 2. – P. 429-438. DOI: 10.1557/s43578-022-00828-3.
10. Девицкий, О.В. Исследование состава пленок GaAs1-yBiy, полученных методом импульсного лазерного напыления / О.В. Девицкий, А.А. Кравцов, И.А. Сысоев // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2021. – Вып. 13. - С. 96-105. DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.096.
11. Девицкий, О.В. Структура и состав тонких пленок GaAs1-x-yNxBiy, полученных методом импульсного лазерного напыления / О.В. Девицкий // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2022. – Вып. 14. - С. 593-601. DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.593.
12. Devitsky, O.V. Pulsed laser deposition of gallium nitride thin films on sapphire substrates / O.V. Devitsky, D.A. Nikulin, I.A. Sysoev // AIP Conference Proceedings. – 2020. – V. 2313. – P.030012-1-030012-5. DOI: 10.1063/5.0032227.
13. Rout, S. Phase growth control in low temperature PLD Co: TiO2 films by pressure / S. Rout, N. Popovici, S. Dalui et al. // Current Applied Physics. – 2013. – V. 13. – I. 4. – P. 670-676. DOI: 10.1016/j.cap.2012.11.005.
14. Pashchenko, A.S. Growth of nanotextured thin films of GaInAsP and GaInAsSbBi solid solutions on GaP substrates by pulsed laser deposition / A.S. Pashchenko, O.V. Devitsky, L.S. Lunin et al. // Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. – 2023. – V. 14. – I. 5. – P. 601-605. DOI: 10.17586/2220-8054-2023-14-5-601-605.
15. García, D.M.A. Exploring morphological variation in bismuth ferrite nanostructures by pulsed laser deposition: synthesis, structural and electrochemical properties / D.M.A. García, R.D. Santos, L. Liu et al. // Nanotechnology. – 2024. – V. 35. – I. 23. – P. 235702-1-235702-8. DOI: 10.1088/1361-6528/ad2ee1.
16. Luo, J. AlN/nitrided sapphire and AlN/non-nitrided sapphire hetero-structures epitaxially grown by pulsed laser deposition: A comparative study / J. Luo, W. Wang, Y. Zheng et al. // Vacuum. – 2017. – V. 143. – P. 241-244. DOI: 10.1016/j.vacuum.2017.06.012.
17. Palla-Papavlu, A. Characterization of polymer thin films obtained by pulsed laser deposition / A. Palla-Papavlu, V. Dinca, V. Ion et al. // Applied Surface Science. – 2011. – V. 257. – I. 12. – P. 5303-5307. DOI: 10.1016/j.apsusc.2010.11.140.
18. Socol, M. Organic thin films deposited by matrix-assisted pulsed laser evaporation (MAPLE) for photovoltaic cell applications: A review / M. Socol, N. Preda, G. Socol // Coatings. – 2021. – V. 11. – I. 11. – Art. № 1368. – 32 p. DOI: 10.3390/coatings11111368.
19. Hopp, B. Femtosecond pulsed laser deposition of biological and biocompatible thin layers / B. Hopp, T. Smausz, G. Kecskeméti et al. // Applied Surface Science. – 2007. – V. 253. – I. 19. – P. 7806-7809. DOI: 10.1016/j.apsusc.2007.02.102.
20. Harris, S.B. Deep learning with plasma plume image sequences for anomaly detection and prediction of growth kinetics during pulsed laser deposition / S.B. Harris, C.M. Rouleau, K. Xiao et al. // npj Computational Materials. – 2024. – V. 10. – I. 1. – Art. № 105. – 8 p. DOI: 10.1038/s41524-024-01275-w.
21. Anyanwu, V.O. PLD of transparent and conductive AZO thin films / V.O. Anyanwu, M.K. Moodley // Ceramics International. – 2023. – V. 49. – I. 3. – P. 5311-5318. DOI: 10.1016/j.ceramint.2022.10.054.
22. Smith, H.M. Vacuum deposited thin films using a ruby laser / H.M. Smith, A.F. Turner // Applied Optics. – 1965. – V. 4. – I. 1. – P. 147-148. DOI: 10.1364/ao.4.000147.
23. Sheftal, R.N. Mechanism of condensation of heteroepitaxial A3B5 layers pulse of moderate power / R.N. Sheftal, I.V. Cherbakov // Crystal Research and Technology. – 1981. – V. 16. – I. 8. – P. 887-891. DOI: 10.1002/crat.19810160805.
24. Chowdhury, F.R. Nanocrystalline GaAs thin films by pulsed laser deposition / F.R. Chowdhury, M. Gupta, Y.Y. Tsui // Photonics North 2012, 6-8 June 2012, Montréal, Canada: proceedings of SPIE; ed. by J.-C. Kieffer. – Bellingham, WA: SPIE Publ., 2012. – V. 8412. – P. 84121U-1-84121U-7. DOI: 10.1117/12.2001471.
25. Li, S. Exploration of growth conditions of TaAs Weyl semimetal thin film using pulsed laser deposition / S. Li, Z. Lin, W. Hu et al. // Chinese Physics B. – 2023. – V. 32. – I. 4. – Art. № 047103. – 9 p. DOI: 10.1088/1674- 1056/acb913.
26. Nguyen Van, T. Tunability of optical properties of InSb films developed by pulsed laser deposition / T. Nguyen Van, E. Laborde, C. Champeaux et al. // Applied Surface Science. – 2023. – V. 619. – Art. № 156756. – 12 p. DOI: 10.1016/j.apsusc.2023.156756.
27. Tang, P. Structural, electrical and optical properties of AlSb thin films deposited by pulsed laser deposition / P. Tang, B. Li, L. Feng et al. // Journal of Alloys and Compounds. – 2017. – V. 692. – P. 22-25. DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.09.016.
28. Tang, P. The properties of Zn-doped AlSb thin films prepared by pulsed laser deposition / P. Tang, W. Wang, B. Li et al. // Coatings. – 2019. – V. 9. – I. 2. – Art. № 136. – 9 p. DOI: 10.3390/coatings9020136.
29. Yimam, D.T. Pulsed laser deposited stoichiometric GaSb films for optoelectronic and phase change memory applications / D.T. Yimam, H. Zhang, J. Momand, B.J. Kooi // Materials Science in Semiconductor Processing. – 2021. – V. 133. – Art. № 105965. – 9 p. DOI: 10.1016/j.mssp.2021.105965.
30. Hafez, M.A. Pulsed laser deposition of InP thin films on sapphire (1000) and GaAs (100) / M.A. Hafez, K.A. Elamrawi, H.E. Elsayed-Ali // Applied Surface Science. – 2004. – V. 233. – I. 1-4. – P. 42-50. DOI: 10.1016/j.apsusc.2004.02.066.
31. Iribarren, A. Growth of polycrystalline InP thin films by the pulsed laser deposition technique / A. Iribarren, R. Castro-Rodríguez, L. Ponce-Cabrera, J.L. Peña // Thin Solid Films. – 2006. – V. 510. – I. 1-2. – P. 134-137. DOI: 10.1016/j.tsf.2005.12.302.
32. Pashchenko, A.S. Structure and morphology of GaInAsP solid solutions on GaAs substrates grown by pulsed laser deposition / A.S. Pashchenko, O.V. Devitsky, L.S. Lunin et al. // Thin Solid Films. – 2022. – V. 743. – Art. № 139064. – 8 p. DOI: 10.1016/J.TSF.2021.139064.
33. Pashchenko, A.S. Epitaxial growth of GaInAsBi thin films on Si (001) substrate using pulsed laser deposition / A.S. Pashchenko, O.V. Devitsky, M.L. Lunina et al. // Vacuum. – 2024. – V. 227. – Art. № 113372. – 9 p. DOI: 10.1016/j.vacuum.2024.113372.