Pdf - Revista Colombiana de Física

REVISTA COLOMBIANA DE FÍSICA, VOL. 36, No. 1. 2004
ESTUDIOS POR FOTOLUMINISCENCIA Y FOTORREFLECTANCIA DE
SUBSTRATOS DE GaAs CON Y SIN TRATAMIENTO QUÍMICO*
C. Vargas-Hernández♦, J. J. Agudelo, D. G. Espinosa
Departamento de Física y Química, Universidad Nacional de Colombia.
Sede Manizales-Colombia. A.A. 127, Carrera 27 numero 64-60
RESUMEN
La preparación previa de la superficie de los substratos es de vital importancia para obtener películas de alta calidad, generalmente se usan tratamientos químicos ex-situ y luego cuando se
introducen los substratos a la cámara reactor, estos son sometidos al tratamiento térmico in-situ
correspondiente en un ambiente de ultra-alto vacío (10 -11torr). Los substratos de GaAs al estar
expuestos al medio ambiente, se contaminan con la húmeda (H2O), carbono y el oxigeno que
forman una capa de óxidos superficial que debe ser removida. El tratamiento químico emple ado fue el de H2SO4 en una relación de volumen 3:1:1 de H2SO4 : H2O2:H2O. La señal de Fotoluminiscencia (FL) muestra que para substratos tratados químicamente la emisión excitónica es
mayor. El análisis de los puntos críticos E0, E0+∆0 y E1 de la señal de Fotorreflectancia FR
muestran que estos se hacen mas apreciables en substratos tratados químicamente, indicando
que se han removido los óxidos, de tal manera que han disminuido los centros de recombinación no radiativos.
PACS: 81.15.H; 78.66; 61.14.H; 78.55; 73.61.J
Keywords: Photoreflectance, optical characterization, Electronic Materials, GaAs.
INTRODUCCIÓN
En la caracterización de los substratos para el crecimiento previo de las heteroestructuras se
emplean métodos in-situ y ex-situ. Los métodos ex-situ pueden ser las técnicas ópticas como
la Fotoluminiscencia y la Fotorreflectancia y los métodos in-situ lo constituyen las técnicas
como Auger y RHEED (Reflection high-energy electron diffration) que son muy sensibles a
las condiciones superficiales [1]. Estas técnicas permiten valorar las condiciones iniciales de
los crecimientos. En este trabajo hemos caracterizado los substratos de GaAs con estas técnicas para estudiar las condiciones adecuadas previas al deposito de heteroestructuras. El GaAs
es un semiconductor de banda directa con una brecha prohibida de 1.42 eV y una constate de
red de 5. 6533 Å [2], además de poseer un costo aceptable y la buena calidad de las obleas, el
GaAs constituye un gran candidato para ser utilizado como substratos en crecimiento de
heteroestructuras II-VI y III-V [3].
DETALLES EXPERIMENTALES
La preparación previa de la superficie de los substratos es de vital importancia para obtener
películas de alta calidad, generalmente se usan tratamientos químicos ex-situ y luego cuando
se introducen los substratos a la cámara reactor, estos son sometidos al tratamiento térmico
in-situ correspondiente en un ambiente de ultra-alto vacío (10-11torr). Los substratos de
GaAs al estar expuestos al medio ambiente, se contaminan con la húmeda (H2O), el carbono
♦
cvargas@nevado.manizales.unal.edu.co
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y el oxigeno que forman una capa de óxidos superficial que debe ser removida. El objetivo
de los tratamientos químicos es remover los óxidos viejos y formar especies de óxidos frescos que puedan ser eliminados fácilmente por medio del tratamiento térmico in-situ. A todos
los substratos se les realizan tratamientos térmicos, mientras que no a todos los substratos
empleados en el crecimiento de las heteroestructuras se les realizan tratamientos químicos. A
los substratos que se les realizó tratamiento químico, el empleado fue el de H2SO4 en una
relación de volumen 3:1:1 de H2SO4: H2O2:H2O, donde el substrato es introducido en esta
solución con un tiempo de ataque de 1 minuto y 30 segundos para luego realizar un enjuague
final en agua deionizada en un periodo de tiempo de 10 minutos. El procedimiento efectuado
en el tratamiento térmico, consiste en introducir el substrato a la cámara de crecimiento o
reactor y llevarlo a una temperatura Ts alrededor de 550°C, la capa de oxido es removida de
la superficie del substrato y esto se indica cuando se observa un patrón RHEED bien definido
y brillante de líneas, cuando esto sucede, se procede a disminuir la temperatura, hasta la
temperatura de crecimiento donde aun se conservan las características del patrón RHEED.
En estas condiciones se dispone de una superficie del substrato lista para el crecimiento de la
heteroestructura deseada. Para ver detalles más sutiles y completos de la preparación de los
substratos ver la referencia [4]. Para ver como es el comportamiento de la señal de FL de un
substrato protegido, se han crecido películas de CdTe de 100 y 300 Å de espesor nominal por
medio de la técnica de crecimiento de epitaxia de haces moleculares MBE. Para el crecimiento de las heteroestructuras se depositaron películas de CdTe sobre substratos de
GaAs(001) marca Freiberger. Antes del deposito de la película de CdTe los substratos fueron
tratados térmicamente en un proceso de desoxidación a una temperatura alrededor de 550 °C.
El sistema CdTe/GaAs crecido mediante esta técnica ha sido estudiado intensamente desde
mediados de los 80’s, y aunque se han obtenido películas de buena calidad, el enorme desacople existente entre las diferentes constantes de red (14.6%), genera defectos de tipo estructural en la interfaz que se propagan por toda la película [5]. Adicionalmente, los coeficientes de expansión térmica a 300 K del CdTe es 4.8 x10-6K-1 y del GaAs es de 5.7 x106K-1, este 26% de desacople de los coeficientes de expansión térmica es la causa de la existencia de películas deformadas bajo compresión de CdTe a temperaturas menores que las de
crecimiento. El objetivo del deposito de la película de CdTe es de ser utilizada como una
capa protectora, que permite la eficiencia de la emisión.
RESULTADOS Y DISCUSION
Los espectros de FR se tomaron a temperatura ambiente utilizando un láser de He:Cd de
longitud de onda 3250Å. Se ha empleado esta longitud de onda debido a que a menor longitud de onda menor penetración, esto nos permite evaluar la región mas superficial de la
muestra [1]. Los espectro se realizaron en un rango de 400 a 1100 nm. La señal de FR muestra tres transiciones alrededor de 1.42 , 1.755 y 2.916 eV respectivamente que corresponden
a los punto críticos E0, E1 y E1 + ∆1 del GaAs. Debido a que los puntos críticos E1 y E1 +
∆1 son de mas alta energía, ellos provienen de una región mas cercana a la superficie, esto
nos permite monitorear la evolución de la superficie con el tratamiento químico. En la figura
1 se ilustra los espectros de FR para cuatro muestras, que son el GaAs con limpieza química,
sin limpieza química y con recubrimiento de películas de CdTe de 100 y 300 Å de espesor
respectivamente. Los espectros de FR de las muestras de GaAs tratada químicamente y las
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muestras de GaAs con un deposito de CdTe son las que presentan una apreciable señal de los
puntos críticos E1 y E1 + ∆1. esto indica que los centros de recombinación no radiativos a
sido minimizados en el caso de los substratos tratados químicamente y en el caso del deposito de la película de CdTe, nos indica que este tipo de película puede ser empleada como una
capa protectora para los substratos de GaAs.
Fotorreflectancia
GaAs HeCd: 3250 Å
2.916 eV
1.755 eV
E0+∆ 0
E1
Con limpieza química
de la superficie
E1
Sin limpieza química
de la superficie
E1
Recubrimiento de
100 Å CdTe
∆R (a.u)
GaAs
E0+∆ 0
100 Å CdTe/GaAs
E0+∆ 0
300 Å CdTe/GaAs
E0+∆ 0
1,2
E1
Recubrimiento de
300 Å CdTe
En la figura 2 se muestran los espectros de FL
realizados a 12K empleando un láser de HeNe
de longitud de onda 6328Å. Las muestras tanto
en FL como en FR no exhiben señal de CdTe
debido a su reducido espesor. Los picos de
emisión ubicados en 1.494 eV y 1.516 eV son
debidos a las impurezas de carbono y la emisión excitónica respectivamente. Observamos
en la figura 2, con relación a los substratos de
GaAs, que la intensidad de la región excitónica
disminuye cuando el substrato no es tratado
químicamente, esto se entiende desde el punto
de vista de la no-eliminación de algunos óxidos,
que producen en la superficie centros de recombinación no radiativos.
1,6 2,0 2,4 2,8
Energía (eV)
Cuando se deposita una película de CdTe de
100 Å de espesor nominal, se observa que la
Figura 1..FR para los substratos de GaAs con intensidad del pico excitónico aumenta con
y sin tratamiento químico y con un recubr i- respecto a la intensidad del pico de la impureza
miento de una película de CdTe de 100 y 300 de carbón, esto es debido a que los óxidos de la
Å respectivamente.
superficie del GaAs han sido removidos mediante la desorción alrededor de 550 ºC. El
deposito de la película de CdTe actúa como una capa protectora a los óxidos y de esta manera la emisión del pico excitónico del GaAs no será absorbida por los centros de recombinación no radiativos generados por los óxidos principalmente de Ga2O3 y AsO.
CONCLUSIONES
Mediante las técnicas de FL y FR podemos valorar la calidad óptica de las superficies de los
substratos de GaAs. Los substratos de GaAs sometidos a tratamiento químico de H2SO4 en
una relación de volumen 3:1:1 de H2SO4: H2O2:H2O, ofrecen las mayores intensidades de
emisión excitónica, comparados con los substratos sin tratamiento químico previo. También
concluimos que el CdTe puede ser empleado como una capa protectora para las substratos de
GaAs.
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Figura 3. Intensidad normalizada del pico excitónico con respeto a la suma del pico excitónico del
GaAs (1.516 eV) y del asignado a la impureza de carbón (1.494 eV).
AGRADECIMIENTOS
*Este trabajo fue parcialmente apoyado por COLCIENCIAS.
REFERENCIAS
1. C. Vargas-Hernandez, tesis Doctoral, CINVESTAV-IPN, Mexico, Mexico D.F, marzo
del 2002
2. J. I. Pankove, Optical processes in semiconductors, dover publications, 1971.
3. M. Shur, GaAs Devices and circuits, Plenum Press 1987.
4. I. Hernández-Calderón, E. López, J. Luyo, M. Melendez-lira, O. P. of Melo, P. Díaz, L.
Hernández, J. Sources, R. León, H. Sitter, J. Crystal. Growth 175, 571(1997).
5. J. E. Angelo and M. J. Mills, Philosofical magazine A, 72 (1995) 635-639.
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