Известия высших учебных заведений. Электроника home

Исследование структуры слоев GaAs в гетерокомпозициях GaAs/Ge/GaAs методами просвечивающей электронной микроскопии

Раздел находится в стадии актуализации

Для создания устройств, работающих в терагерцовом диапазоне, и топологических изоляторов представляют интерес гетерокомпозиции с активной областью на основе слоев GaAs/Ge/GaAs. Оптические и электрофизические свойства таких приборов во многом зависят от технологических условий их формирования. В работе исследована структура слоев GaAs в гетерокомпозициях GaAs/Ge/GaAs, выращенных на подложке GaAs(001) методом молекулярно-пучковой эпитаксии при технологических условиях, обеспечивающих разворот кристаллических решеток верхнего и нижнего слоев GaAs на 90° для образцов одного типа и не приводящих к такому развороту для образцов другого типа. Сформированные гетерокомпозиции исследованы методами просвечивающей электронной микроскопии и электронографического анализа с использованием тонкой фольги поперечного сечения, приготовленной с применением метода фокусированного ионного пучка. Установлено, что слои GaAs/Ge/GaAs имеют высокое кристаллическое совершенство для обоих типов образцов, но в слоях GaAs, расположенных над слоем Ge, образуются дефекты упаковки и антифазные домены. Идентификация взаимной ориентации верхнего и нижнего слоев GaAs в GaAs/Ge/GaAs выполнена путем сравнения распределения интенсивности в дисках и 002 на дифракционных картинах, полученных при дифракции сходящегося электронного пучка. На основе моделирования таких картин показано, что ориентация образца вдоль оси зоны [310] является оптимальной для выявления различий в дифракционных узорах в псевдозапрещенных дисках и 002. Экспериментальные дифракционные картины, полученные при таких условиях, позволили подтвердить одинаковую ориентацию кристаллических решеток верхнего и нижнего слоев GaAs в образцах одного типа и разворот решеток этих слоев на 90° вокруг направления [001] в образцах другого типа.

Ключевые слова: гетероструктуры на основе GaAs, молекулярно-пучковая эпитаксия, просвечивающая электронная микроскопия, антифазные домены, дифракция в сходящемся пучке, дефекты кристаллической структуры
Опубликовано в разделе: Фундаментальные исследования
Библиографическая ссылка: Исследование структуры слоев GaAs в гетерокомпозициях GaAs/Ge/GaAs методами просвечивающей электронной микроскопии / В. А. Сазонов, Н. И. Боргардт, А. С. Приходько и др. // Изв. вузов. Электроника. 2024. Т. 29. № 5. С. 559–574. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2024-29-5-559-574. – EDN: GPPNHA.
Источник финансирования: работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания (Соглашение FSMR-2024-0004) с использованием оборудования ЦКП «Диагностика и модификация микроструктур и нанообъектов

Сазонов Вадим Андреевич
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1

Боргардт Николай Иванович
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1

Приходько Александр Сергеевич
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1

Казаков Игорь Петрович
Физический институт имени П. Н. Лебедева Российской академии наук, Россия, 119991, г. Москва, Ленинский пр-т, 53

Клековкин Алексей Владимирович
Физический институт имени П. Н. Лебедева Российской академии наук, Россия, 119991, г. Москва, Ленинский пр-т, 53

1. Interface-induced topological insulator transition in GaAs/Ge/GaAs quantum wells / D. Zhang, W. Lou, M. Miao et al. // Phys. Rev. Lett. 2013. Vol. 111. Iss. 15. Art. ID: 156402. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.111.156402

2. Quantum information memory based on reconfigurable topological insulators by piezotronic effect / X. Guo, G. Hu, Ya. Zhang et al. // Nano Energy. 2019. Vol. 60. P. 36–42. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.03.035

3. Terahertz-wave generation in quasi-phase-matched GaAs / K. L. Vodopyanov, M. M. Fejer, X. Yu et al. // Appl. Phys. Lett. 2006. Vol. 89. Iss. 14. Art. No. 141119. https://doi.org/10.1063/1.2357551

4. Lu X., Kumagai M., Minami Y., Kitada T. Sublattice reversal in GaAs/Ge/GaAs(113)B heterostructures and its application to THz emitting devices based on a coupled multilayer cavity // Jpn. J. Appl. Phys. 2018. Vol. 57. No. 4S. Art. ID: 04FH07. https://doi.org/10.7567/JJAP.57.04FH07

5. Koh S., Kondo T., Shiraki Y., Ito R. GaAs/Ge/GaAs sublattice reversal epitaxy and its application to nonlinear optical devices // J. Cryst. Growth. 2001. Vol. 227–228. P. 183–192. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(01)00660-1

6. Казаков И. П., Цехош В. И., Базалевский М. А., Клековкин А. В. Гетероструктуры GaAs/Ge/GaAs для темплейтов оптических нелинейных преобразователей с регулярной доменной структурой. I. Молекулярно-пучковая эпитаксия // Краткие сообщения по физике ФИАН. 2017. Т. 44. № 7. С. 3–10. EDN: ZDDOJZ.

7. GaAs/Ge/GaAs heterostructures by molecular beam epitaxy / S. Strite, M. S. Ünlü, K. Adomi et al. // J. Vac. Sci. Technol. B. 1990. Vol. 8. Iss. 5. P. 1131–1140. https://doi.org/10.1116/1.584931

8. Faucher J., Masuda T., Lee M. L. Initiation strategies for simultaneous control of antiphase domains and stacking faults in GaAs solar cells on Ge // J. Vac. Sci. Technol. B. 2016. Vol. 34. Iss. 4. Art. No. 041203. https://doi.org/10.1116/1.4945659

9. GaAs_1–xBi_x growth on Ge: Anti-phase domains, ordering, and exciton localization / T. Paulauskas, V. Pacebutas, A. Geizutis et al. // Sci. Rep. 2020. Vol. 10. Iss. 1. Art. No. 2002. https://doi.org/10.1038/s41598-020-58812-y

10. Dasilva Y. A. R., Kozak R., Erni R., Rossell M. D. Structural defects in cubic semiconductors characterized by aberration-corrected scanning transmission electron microscopy // Ultramicroscopy. 2017. Vol. 176. P. 11–22. https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2016.09.015

11. Defect structures in (001) zincblende GaN/3C-SiC nucleation layers / P. Vacek, M. Frentrup, L. Y. Lee et al. // J. Appl. Phys. 2021. Vol. 129. Art. No. 155306. https://doi.org/10.1063/5.0036366

12. Advanced transmission electron microscopy investigation of defect formation in movpe-growth of gap on silicon using arsenic initial coverage / A. Navarro, E. Garcia-Tabares, Q. M. Ramasse et al. // Appl. Surf. Sci. 2023. Vol. 610. Art. ID: 155578. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.155578

13. Bufferless epitaxial growth of GaAs on step-free Ge(001) mesa / D.-M. Huang, J.-Y. Zhang, J.-H. Wang et al. // Chinese Phys. Lett. 2021. Vol. 38. No. 6. Art. No. 068101. https://doi.org/10.1088/0256-307X/38/6/068101

14. Гетероструктуры GaAs/Ge/GaAs для темплейтов оптических нелинейных преобразователей с регулярной доменной структурой. II. Исследование свойств / И. П. Казаков, А. А. Пручкина, М. А. Базалевский и др. // Краткие сообщения по физике ФИАН. 2017. Т. 44. № 8. С. 10–17. EDN: ZDDONB.

15. Study of sublattice inversion in GaAs/Ge/GaAs(001) crystal by X-ray diffraction / S. Nakatani, S. Kusano, T. Takahashi et al. // Appl. Surf. Sci. 2000. Vol. 159–160. P. 256–259. https://doi.org/10.1016/S0169-4332(00)00098-2

16. Growth of strained-layer GaAs/Ge superlattices by magnetron sputtering: Optical and structural characterization / E. Rosendo, A. G. Rodriguez, H. Navarro-Contreras et al. // J. Appl. Phys. 2001. Vol. 89. Iss. 6. P. 3209–3214. https://doi.org/10.1063/1.1347413

17. Comparison of convergent beam electron diffraction and annular bright field atomic imaging for GaN polarity determination / A. Roshko, M. D. Brubaker, P. T. Blanchard et al. // J. Mater. Res. 2017. Vol. 32. Iss. 5. P. 936–946. https://doi.org/10.1557/jmr.2016.443

18. Kuwano N., Kaur J., Rahmah S. Electron microscopy determination of crystallographic polarity of aluminum nitride thin films // Micron. 2019. Vol. 116. P. 80–83. https://doi.org/10.1016/j.micron.2018.09.014

19. Growth modes and chemical-phase separation in GaP_1–xN_x layers grown by chemical beam epitaxy on GaP/Si(001) / K. Ben Saddik, S. Fernandez-Garrido, R. Volkov et al. // J. Appl. Phys. 2023. Vol. 134. Iss. 17. Art. No. 175703. https://doi.org/10.1063/5.0173748

20. The Peak Pairs algorithm for strain mapping from HRTEM images / P. L. Galindo, S. Kret, A. M. Sanchez et al. // Ultramicroscopy. 2007. Vol. 107. Iss. 12. P. 1186–1193. https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2007.01.019

21. Исследование структуры тонкого слоя алюминия на вицинальной поверхности подложки арсенида галлия методом высокоразрешающей электронной микроскопии / М. В. Ловыгин, Н. И. Боргардт, М. Зайбт и др. // Изв. вузов. Электроника. 2015. Т. 20. № 1. С. 10–16. EDN: TMZZNP.

22. Giannuzzi L. A., Stevie F. A. A review of focused ion beam milling techniques for TEM specimen preparation // Micron. 1999. Vol. 30. Iss. 3. P. 197–204. https://doi.org/10.1016/S0968-4328(99)00005-0

23. Kakibayashi H., Nagata F., Katayama Y., Shiraki Y. Structure analysis of oval defect on molecular beam epitaxial GaAs layer by cross-sectional transmission electron microscopy observation // Jpn. J. Appl. Phys. 1984. Vol. 23. No. 11A. P. L846–L848. https://doi.org/10.1143/JJAP.23.L846

24. GaP-nucleation on exact Si(001) substrates for III/V device integration / K. Volz, A. Beyer, W. Witte et al. // J. Cryst. Growth. 2011. Vol. 315. Iss. 1. P. 37–47. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2010.10.036

25. Guelton N., Saint-Jacques R. G., Lalande G., Dodelet J.-P. Microstructural study of GaAs epitaxial layers on Ge(100) substrates // J. Mater. Res. 1995. Vol. 10. Iss. 4. P. 843–852. https://doi.org/10.1557/JMR.1995.0843

26. Beyer A., Volz K. Advanced electron microscopy for III/V on silicon integration // Adv. Mater. Interfaces. 2019. Vol. 6. Iss. 12. Art. No. 1801951. https://doi.org/10.1002/admi.201801951

27. Generation and annihilation of antiphase domain boundaries in GaAs on Si grown by molecular beam epitaxy / A. Georgakilas, J. Stoemenos, K. Tsagaraki et al. // J. Mater. Res. 1993. Vol. 8. Iss. 8. P. 1908–1921. https://doi.org/10.1557/JMR.1993.1908

28. Kawabe M., Ueda T. Self-annihilation of antiphase boundary in GaAs on Si(100) grown by molecular beam epitaxy // Jpn. J. Appl. Phys. 1987. Vol. 26. No. 6A. P. L944–L946. https://doi.org/10.1143/JJAP.26.L944

29. Hudait M. K., Krupanidhi S. B. Self-annihilation of antiphase boundaries in GaAs epilayers on Ge substrates grown by metal-organic vapor-phase epitaxy // J. Appl. Phys. 2001. Vol. 89. Iss. 11. P. 5972–5979. https://doi.org/10.1063/1.1368870

30. Antiphase boundaries in GaAs / N.-H. Cho, B. C. De Cooman, C. B. Carter et al. // Appl. Phys. Lett. 1985. Vol. 47. Iss. 8. P. 879–881. https://doi.org/10.1063/1.95963

31. Stadelmann P. A. EMS – a software package for electron diffraction analysis and HREM image simulation in materials science // Ultramicroscopy. 1987. Vol. 21. Iss. 2. P. 131–145. https://doi.org/10.1016/0304-3991(87)90080-5

32. Kauffmann Y. HREM-DIMA (high resolution electron microscopy digital image matching analysis) // Dr. Yaron Kauffmann’s Website [Электронный ресурс]. 24.05.2013. URL: https://mtyaron.com/microscopy/hrem-dima/ (дата обращения: 29.07.2024).

33. Appropriate zone-axis orientations for the determination of crystal polarity by convergent-beam electron diffraction / K. Tanaka, N. L. Okamoto, S. Fujio et al. // J. Appl. Cryst. 2015. Vol. 48. P. 736–746. https://doi.org/10.1107/S1600576715004884

34. Iterative structure retrieval techniques in HREM: A comparative study and a modular program package / G. Möbus, R. Schweinfest, T. Gemming et al. // J. Microsc. 1998. Vol. 190. Iss. 1–2. P. 109–130. https://doi.org/10.1046/j.1365-2818.1998.3120865.x

35. Разворот слоев GaAs в гетероструктурах GaAs/Ge/GaAs / И. П. Казаков, С. А. Зиновьев, А. В. Клековкин и др. // Краткие сообщения по физике ФИАН. 2020. Т. 47. № 12. С. 3–10. EDN: OQKGMH.

Сведения о публикации

УДК: 620.187.3:548.4
Тип публикации: Научная статья
Язык оригинала: Русский
DOI: 10.24151/1561-5405-2024-29-5-559-574
Идентификатор статьи в РИНЦ: GPPNHA
Полнотекстовая версия: Перейти

JATS XML