Pulsed laser deposition OF III-V semiconductor thin films: review

封面

如何引用文章

全文:

详细

This review highlights the latest advancements in pulsed laser deposition of III-V semiconductor thin films on various substrates. The pulsed laser deposition method is shown to be highly effective and distinct from other thin film deposition techniques due to its discrete nature. Epitaxial growth of III-V thin films is crucial for developing new optoelectronic devices. The review presents experimental data on how various pulsed laser deposition parameters affect the structural, optical, and electrical properties as well as the stoichiometry of binary and multicomponent III-V thin films. It is demonstrated that achieving the highest structural quality in III-V thin films requires using femtosecond and nanosecond lasers with wavelengths ranging from 248 nm to 532 nm, a pulse energy density of no more than 3 J/cm², and substrate temperatures between 300 and 400°C. Additionally, the target material should be monolithic and have the highest possible density.

作者简介

Oleg Devitsky

Federal Research Centre The Southern Scientific Centre of The Russian Academy of Sciences; North Caucasus Federal University

Email: v2517@rambler.ru
Ph. D., Leading Researcher, Laboratory of Physics and Technology of Semiconductor Nanoheterostructures for Microwave Electronics and Photonics, Federal Research Center Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, Senior Researcher, Scientific and Educational Center for Photovoltaics and Nanotechnology North Caucasus Federal University.

参考

  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.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».