Современные методы получения тонких пленок GaAs1-x-yNxBiy: обзор
О.В. Девицкий
ФГБУН «Федеральный исследовательский центр Южный научный центр РАН»
DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.636
Обзор
Аннотация: В настоящем обзоре описываются новейшие достижения в области получения тонких пленок твердых растворов GaAs1-x-yNxBiy для потенциального применения в оптоэлектронике. Показано, что получение тонких пленок GaAs1-x-yNxBiy возможно методами молекулярно-лучевой эпитаксии, газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений и импульсного лазерного напыления и технологически осложнено прежде всего из-за достаточно большого числа параметров, влияющих на структурные свойства тонких пленок. Максимальная концентрацию висмута – 4,7% и азота – 2% в эпитаксиальной тонкой пленке удалось получить методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Концентрация висмута линейно снижается при увеличении температуры подложки вплоть до 410°C при постоянном избыточном потоке атомов висмута, а при 350°C удалось вырастить тонкие пленки без капель висмута на поверхности. Также показано, что в GaAs1-x-yNxBiy возможно упорядочение по типу CuPt, которое вероятно позволит управлять локальным атомным окружением атомов висмута и азота посредством дальнего химического упорядочения. Для тонких пленок GaAs0,964N0,018Bi0,018 высокого структурного совершенства выращенных при 450°C методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений, установлено уменьшение ширины запрещенной зоны при увеличении концентрации азота составляет 141 мэВ/% N. Хотя импульсное лазерное напыление в настоящее время позволяет получать поликристаллические плёнки GaAs1-x-yNxBiy с относительно низким содержанием азота, оно обладает значительным потенциалом для дальнейшего развития и улучшение свойств GaAs1-x-yNxBiy.
Ключевые слова: GaAsNBi, тонкие пленки, III-V-N-Bi, молекулярно-лучевая эпитаксия, металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы, импульсное лазерное напыление
- 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 РАН»
Ссылка для цитирования:
Девицкий, О.В. Современные методы получения тонких пленок GaAs1-x-yNxBiy: обзор / О.В. Девицкий // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2025. - Вып. 17. - С. 636-648. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.636. ⎘
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Verstijnen, T.J.F. Ordering in GaAs co-doped with Bi and N / T.J.F. Verstijnen, D. Tjeertes, A.D. Rice et al. // Physical Review Materials. – 2024. – V. 8. – I. 5. – Art. № 054605. – 19 p. DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.8.054605.
2. Aissat, A. Theoretical investigation of GaAsNBi/GaAs materials for optoelectronic applications / A. Aissat, B. Alshehri, S. Nacer et al. // Materials Science in Semiconductor Processing. – 2015. – V. 31. – P. 568-572. DOI: 10.1016/j.mssp.2014.11.040.
3. Ma, X. The electronic and optical properties of quaternary GaAs1-x-yNxBiy alloy lattice-matched to GaAs: a first-principles study / X. Ma, D. Li, S. Zhao et al. // Nanoscale Research Letters. – 2014. – V. 9. – I. 1. – Art. № 580. – 9 p. DOI: 10.1186/1556-276X-9-580.
4. Ajnef, N. GaAs-based strain-balanced GaNxAs1-x-yBiy type-I and -II multi-quantum wells for near-infrared photodetection range / N. Ajnef, M.M. Habchi, A. Rebey // Thin Solid Films. – 2021. – V. 726. – Art. № 138655. – 7 p. DOI: 10.1016/j.tsf.2021.138655.
5. Paulauskas, T. Performance assessment of a triple-junction solar cell with 1.0 eV GaAsBi absorber / T. Paulauskas, V. Pačebutas, V. Strazdienė et al. // Discover Nano. – 2023. – V. 18. – I. 1. – Art. № 86. – 9 p. DOI: 10.1186/s11671-023-03865-x.
6. 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.
7. 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.
8. Pulzara-Mora, A. Study of optical properties of GaAsN layers prepared by molecular beam epitaxy / A. Pulzara-Mora, E. Cruz-Hernández, J. Rojas-Ramirez et al. // Journal of Crystal Growth. – 2007. – V. 301-302. – P. 565-569. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2006.11.241.
9. Девицкий, О.В. Морфология поверхности и структура тонких пленок InGaAsN на Si / О.В. Девицкий // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2021. – Вып. 13. – С. 96-105. DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.106.
10. Bailey, N.J. Effect of MBE growth conditions on GaAsBi photoluminescence lineshape and localised state filling / N.J. Bailey, T.B.O. Rockett, S. Flores et al. // Scientific Reports. – 2022. – V. 12. – Art. №. 797. – 8 p. DOI: 10.1038/s41598-021-04477-0
11. Reason, M. Mechanisms of nitrogen incorporation in GaAsN alloys / M. Reason, H.A. McKay, W. Ye et al. // Applied Physics Letters. – 2004. – V. 85. – I. 10. – P. 1692-1694. DOI: 10.1063/1.1789237.
12. Kunihashi, Y. Bismuth induced enhancement of Rashba spin–orbit interaction in GaAsBi/GaAs heterostructures / Y. Kunihashi, Y. Shinohara, S. Hasegawa et al. // Applied Physics Letters. – 2023. – V. 122. – I. 18. – Art. №. 182402. – 6 p. DOI: 10.1063/5.0145496.
13. Hild, K. Auger recombination suppression and band alignment in GaAsBi/GaAs heterostructures / K. Hild, Z. Batool, S.R. Jin et al. // AIP Conference Proceedings. – 2013. – V. 1566. – I. 1. – P. 488-489. DOI: 10.1063/1.4848498.
14. Hasegawa, S. Raman scattering study on dilute nitride-bismide GaNAsBi alloys: behavior of photo-excited LO phonon-plasmon coupled mode / S. Hasegawa, N. Hasuike, K. Kanegae et al. // Japanese Journal of Applied Physics. – 2023. – V. 62. – I. 1. – Art. №. 011003. – 12 p. DOI: 10.35848/1347-4065/acb2a4.
15. Sweeney, S.J. Bismide-nitride alloys: Promising for efficient light emitting devices in the near- and mid-infrared / S.J. Sweeney, S.R. Jin // Journal of Applied Physics. – 2013. – V. 113. – I. 4. – Art. №. 043110. – 6 p. DOI: 10.1063/1.4789624.
16. Tixier, S. Band gaps of the dilute quaternary alloys GaNxAs1-x-yBiy and Ga1-yInyNxAs et al. / S. Tixier, S.E. Webster, E.C. Young et al. // Applied Physics Letters. – 2005. – V. 86. – I. 11. – Art. №. 112113. – 6 p. DOI: 10.1063/1.1886254.
17. Ajnef, N. The band structure calculation of tensile strained GaNAsBi/GaAs quantum well heterostructure / N. Ajnef, M.M. Habchi, A. Rebey // Micro and Nanostructures. – 2022. – V. 164. – Art. №. 107156. – 9 p. DOI: 10.1016/j.spmi.2022.107156.
18. Puustinen, J. Low bandgap GaAsNBi solar cells / J. Puustinen, J. Hilska, A. Aho et al. // Solar Energy Materials and Solar Cells. – 2024. – V. 264. – Art. №. 112598. – 7 p. DOI: 10.1016/j.solmat.2023.112598.
19. Kawata, H. Fabrication of a GaAs/GaNAsBi solar cell and its performance improvement by thermal annealing / H. Kawata, S. Hasegawa, J. Matsumura et al. // Semiconductor Science and Technology. – 2021. – V. 36. – I. 9. – Art. №. 095020. – 9 p. DOI: 10.1088/1361-6641/ac13af
20. Aho, A. Wide spectral coverage (0.7–2.2 eV) lattice‐matched multijunction solar cells based on AlGaInP, AlGaAs and GaInNAsSb materials / A. Aho, R. Isoaho, M. Raappana et al. // Progress in Photovoltaics: Research and Applications. – 2021. – V. 29. – I. 7. – P. 869-875. DOI: 10.1002/pip.3412.
21. Gabás, M. Complex index of refraction of MBE grown 1 eV GaInAsNSb dilute nitride layers as a function of thermal annealing / M. Gabás, E. Blanco, I. Lombardero et al. // Optical Materials. – 2025. – V. 163. – Art. №. 116960. – 7 p. DOI: 10.1016/j.optmat.2025.116960.
22. Sweeney, S.J. The potential of GaAsBiN for multi-junction solar cells / S.J. Sweeney, K. Hild, S. Jin // 2013 IEEE 39th Photovoltaic Specialists Conference (PVSC). – 2013. – P. 2474-2478. DOI: 10.1109/PVSC.2013.6744977
23. Kumar, V. Investigation of structural and optical properties of ZnO thin films of different thickness grown by pulsed laser deposition method / V. Kumar, S.K. Singh, H. Sharma // Physica B: Condensed Matter. – 2019. – V. 552. – P. 221-226. DOI: 10.1016/j.physb.2018.10.004.
24. Wang, L. Novel dilute bismide, epitaxy, physical properties and device application / L. Wang, L. Zhang, L. Yue et al. // Crystals. – 2017. – V. 7. – I. 3. – P. 1-62. DOI: 10.3390/cryst7030063.
25. Ajnef, N. Biaxial strain effects on the band structure and absorption coefficient of GaAs1-x-yNxBiy/GaAs MQWs calculated using k.p method / N. Ajnef, W.Q. Jemmali, M.M. Habchi et al. // Optik. – 2020. – V. 223. – Art. №. 165484. – 8 p. DOI: 10.1016/j.ijleo.2020.165484.
26. Janotti, A. Theoretical study of the effects of isovalent coalloying of Bi and N in GaAs / A. Janotti, S.H. Wei, S.B. Zhang // Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. – 2002. – V. 65. – I. 11. – Art. №. 115203. – 5 p. DOI: 10.1103/PhysRevB.65.115203.
27. Occena, J. Bi-enhanced N incorporation in GaAsNBi alloys / J. Occena, T. Jen, E.E. Rizzi et al. // Applied Physics Letters. – 2017. – V. 110. – I. 24. – Art. №. 242102. – 6 p. DOI: 10.1063/1.4984227.
28. Young, E.C. Bismuth surfactant growth of the dilute nitride GaNxAs1-x / E.C. Young, S. Tixier, T. Tiedje // Journal of Crystal Growth. – 2005. – V. 279. – I. 3-4. – P. 316-320. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2005.02.045.
29. Aho, A. Incorporation model of N into GaInNAs alloys grown by radio-frequency plasma-assisted molecular beam epitaxy / A. Aho, V.M. Korpijärvi, A. Tukiainen et al. // Journal of Applied Physics. – 2014. – V. 116. – I. 21. – Art. №. 213101. – 6 p. DOI: 10.1063/1.4903318.
30. Maßmeyer, O. Influence of UDMHy on GaAs (001) surface reconstruction before and during growth of Ga(NAs) by MOVPE / O. Maßmeyer, E. Sterzer, L. Nattermann et al. // Applied Surface Science. – 2018. – V. 458. – P. 512-516. DOI: 10.1016/j.apsusc.2018.07.098.
31. Yoshimoto, M. New semiconductor GaNAsBi alloy grown by molecular beam epitaxy / M. Yoshimoto, W. Huang, Y. Takehara et al. // Japanese Journal of Applied Physics, Part 2: Letters. – 2004. – V. 43. – I. 7A. – P. L845-L847. DOI: 10.1143/JJAP.43.L845.
32. Huang, W. Molecular-beam epitaxy and characteristics of GaNyAs1-x-yBix / W. Huang, K. Oe, G. Feng et al. // Journal of Applied Physics. – 2005. – V. 98. – I. 5. – Art. №. 053505. – 6 p. DOI: 10.1063/1.2032618.
33. Occena, J. Surfactant-induced chemical ordering of GaAsN:Bi / J. Occena, T. Jen, H. Lu et al. // Applied Physics Letters. – 2018. – V. 113. – I. 21. – Art. №. 211602. – 5 p. DOI: 10.1063/1.5045606.
34. Bushell, Z.L. Growth and characterisation of Ga(NAsBi) alloy by metal-organic vapour phase epitaxy / Z.L. Bushell, P. Ludewig, N. Knaub et al. // Journal of Crystal Growth. – 2014. – V. 396. – P. 79-84. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2014.03.038.
35. 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.
36. Devitsky, O.V. Effect of nitrogen pressure on the composition and structure of thin films GaAs1-x-yNxBiy / O.V. Devitsky // Известия Саратовского университета. Серия: Физика. – 2023. – T. 23. – Вып. 4. – С. 365-370. DOI: 10.18500/1817-3020-2023-23-4-365-370.
37. 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.