Caracterização estrutural de filmes de GaSb fabricados por sputtering e modificados por irradiação iônica

Abstract

O antimoneto de gálio (GaSb) é um semicondutor da família III-V e seu estudo é de grande interesse tecnológico, podendo ser utilizado na fabricação de dispositivos optoeletrônicos e diodos emissores de luz. É conhecido que após o GaSb ser irradiado com feixes de íons ele desenvolve uma estrutura porosa e aumenta a sua espessura, mas o processo pelo qual isso ocorre não é bem determinado e merece atenção. Não se sabe, por exemplo, quais as diferenças entre o resultado obtido para materiais cristalinos e amorfos. Outro aspecto desconhecido é como a concentração de Ga ou Sb na matriz pode influenciar no formato ou na quantidade de poros presentes no filme. Sabe-se que a porosidade do material é proporcional à fluência de irradiação, fazendo com que a área superficial da amostra inicial aumente significativamente. O conhecimento a respeito da evolução dos poros em materiais irradiados por feixes de íons é promissor para o desenvolvimento de detectores de gás. Embora algumas teorias tenham sido já propostas, o mecanismo que gera o aparecimento desses poros e o inchaço dos filmes está ainda sob investigação. Neste trabalho foram investigados os parâmetros ideais para fabricação de filmes de GaSb pela técnica de magnetron sputtering e os efeitos da irradiação iônica nesses filmes. Os filmes foram fabricados sobre substratos de SiO2=Si à temperatura ambiente e a 400 C. Em seguida, as amostras foram irradiadas com íons de Au com energia 17 MeV e fluências entre 1x1013 e 3x1014 íons/cm2. A estrutura e espessura dos filmes, assim como a concentração de cada elemento neles presente, foram investigadas através da técnica Rutherford backscattering spectrometry (RBS). Por outro lado, mediante a análise do padrão de difração de raios-X (XRD) e do padrão obtido por grazing incidence x-ray diffraction (GIXRD) foram obtidas informações detalhadas sobre a estrutura cristalográfica das amostras. Outra técnica utilizada foi a microscopia eletrônica de varredura (MEV) para caracterizar a espessura e a porosidade dos filmes em função da fluência de irradiação. As amostras fabricadas à temperatura ambiente resultaram amorfas e as fabricadas a 400 C cristalinas. Em ambos conjuntos observou-se a formação de poros devido à irradiação iônica, com um aumento significativo na espessura dos filmes, que no conjunto fabricado à temperatura ambiente foi de 6 a 7 vezes a espessura inicial e no conjunto fabricado a 400 C de 4 a 5 vezes.

Gallium Antimonide (GaSb) is a semiconductor from III-V family of the periodic table and its study is of great technological interest. Such material can be used to manufacture optoelectronic devices and light emitting diodes. It is known that GaSb, after irradiation with ion beams develops a porous structure increasing the overall film thickness. However, the physics involved in this process is not fully understood and deserves attention. Another unknown aspect of this process is how the Ga and Sb atomic concentration in the material can influence the porosity of the sample. It is known that the porosity created in the material is proportional to the irradiation fluence, which means significant increase in surface-to-bulk ratio. Additionally the knowledge of how pores evolve with ion irradiation is promising for the development of gas sensors. Although some theories have been proposed to explain how pores are created and evolve of the film with irradiation, this subject is still a matter of debate. In this work, we investigate the ideal parameters for the production of GaSb films by the magnetron sputtering technique, and the effects of ion irradiation in these films. GaSb films were deposited on a SiO2=Si substrate at room temperature and at 400 C. Irradiations were performed with fluence ranging from 1x1013 to 3x1014 ions/cm2 with Au+7 ions and energy of 17 MeV. The thickness of the films, as well as the concentration of each element present in them, were investigated by Rutherford backscattering spectrometry (RBS). Additionally, X-ray diffraction (XRD) and grazing incidence X-ray diffraction (GIXRD) provided detailed information of the crystallographic structure of the samples. Another technique used to characterize the film thickness and porosity, as a function of irradiation fluence, was scanning electron microscopy (SEM). Samples deposited at room temperature attained an amorphous structure while those synthesized at 400 C exhibit a crystalline structure. Ion irradiation induced porous structures were observed in both policrystalline, stoichiometric films and amorphous, Sb-rich films. We observe a significant increase in film thickness, ranging from six to seven times the initial thickness, for the samples deposited at room temperature and four to five times the original thickness for those deposited at 400 C