We carried out a structural-spectroscopic study of AlGaN/GaN epitaxial layers grown by molecular-beam epitaxy with nitrogen plasma activation on a hybrid substrate containing layers of silicon carbide and porous silicon. Using X-ray diffractometry, Raman and photoluminescence spectroscopy, it is shown that thin films formed on a hybrid substrate have minimal residual stresses and intense photoluminescence.

Цель работы заключалась в исследовании влияния нового типа податливых подложек на основе сверхструктурного слоя (SL) AlGaAs и слоя протопористого кремния (proto-Si), сформированного на c-Si, на практическую реализацию и особенности эпитаксиального роста слоя GaAs в методе MOCVD. Впервые показано, что низкотемпературный рост эпитаксиальных пленок GaAs высокого кристаллического качества может быть реализован за счет использования податливых подложек SL/proto-Si. Введение SL в состав податливой подложки в дополнение к proto-Si позволяет нивелировать ряд негативных эффектов низкотемпературного роста, снизить уровень напряжений в эпитаксиальном слое, защитить от автолегирования атомами кремния, сократить число технологических операций по росту переходных буферных слоев, улучшить структурные и морфологические характеристики эпитаксиального слоя. Ключевые слова: GaAs, Si, por-Si, сверхструктурный слой.

Сообщается о влиянии режимов травления и их комбинации на дизайн, микроструктурные и оптические свойства податливых подложек на основе пористого кремния. На основе данных комплекса микроструктурных и спектроскопических методов анализа показано, что при неизменных параметрах кристаллической решетки величина остаточных напряжений, размер кристаллитов, объем кристаллической фракции, а также отражательная способность и энергия прямых переходов в пористом слое кремния зависят от комбинации режимов травления, однако не всегда коррелируют с величиной пористости слоя, рассчитанной из анализа SEM изображений. Ключевые слова: Si, пористый слой, податливая подложка.

Сообщается о росте методом хлорид-гидридной газофазной эпитаксии пленки GaN на предварительно обработанных кремниевых подложках Si(001) через буферный слой AlN. Продемонстрировано, что использование предложенной технологии привело к образованию в подложке Si переходного субслоя, дальнейший рост на котором обеспечил формирование столбчатых зерен GaN, между которыми находится тонкая прослойка фазы AlN. Эпитаксиальная пленка GaN имеет низкую величину остаточных напряжений, что нашло свое отражение в интенсивной люминесценции. Ключевые слова: хлорид-гидридная газофазная эпитаксия, фотолюминесценция, GaN, AlN, Si.

Целью работы являлось исследование влияния нового типа податливых подложек на основе сверхструктурного слоя (SL) AlGaAs и слоя протопористого кремния (proto-Si), сформированного на c-Si, на оптические свойства эпитаксиального слоя GaAs, выращенного методом МОС-гидридной эпитаксии. Впервые показано, что низкотемпературный рост высококачественных эпитаксиальных пленок GaAs может быть реализован за счет использования податливых подложек SL/proto-Si. Введение SL в состав податливой подложки в дополнение к proto-Si позволяет нивелировать ряд негативных эффектов низкотемпературного роста, снизить уровень напряжений в эпитаксиальном слое, защитить от автолегирования атомами кремния, сократить число технологических операций по росту переходных буферных слоев, улучшить структурные и морфологические характеристики эпитаксиального слоя, а также достичь хороших оптических характеристик слоя. Проведены исследования полученных гетероструктур GaAs/Si методами рамановской спектроскопии, фотолюминесценции, спектроскопии оптического пропускания-отражения. Полученные данные послужат важным материалом для понимания основ физики и технологии интегрированных гетероструктур AIIIBV/Si, способствуя их применению в устройствах оптоэлектроники. Ключевые слова: гетероструктура GaAs/Si, податливая подложка, proto-Si, сверхструктурный слой, рамановская спектроскопия, фотолюминесценция, оптические спектры

Abstract Using a complex of structural and spectroscopic methods of diagnostics, the influence of a nanoporous-silicon ( por -Si) transition layer on the optical properties of GaN layers grown on SiC/ por -Si/ c -Si templates by molecular-beam epitaxy with the plasma activation (MBE PA) of nitrogen is studied. It is shown for the first time that the MBE PA technology of the synthesis of GaN on a virtual SiC/ por -Si/ c -Si substrate provides a means for producing a GaN film of much higher structural and optical quality at a much lower growth temperature compared to those in similar studies, in which growth on porous Si substrates is demonstrated. The use of a por -Si layer makes it possible to improve the structural and morphological properties of the GaN epitaxial layer and to attain unique optical and electrical characteristics of the layer. The data obtained in the study will serve as an important basis for understanding the foundations of the physics of GaN/SiC/ por -Si nanoheterostructures and for promoting their potential use in optoelectronics.

Abstract A set of structural and spectroscopic methods of diagnostics is used to study the influence of a nanoporous silicon ( por -Si) transition layer on the practical implementation and specific features of growth of GaN layers on SiC/ por -Si/ c -Si templates by molecular-beam epitaxy with the plasma activation of nitrogen. It is shown that a por -Si transition layer introduced into a template, in which a 3 C -SiC layer is created by the method of atom substitution, offers unquestionable advantages over standard silicon substrates. Specifically, such an approach makes it possible to lower the level of stresses in the crystal lattice of the epitaxial GaN layer by about 90% and to reduce the fraction of vertical dislocations in the GaN layer. The GaN layer is grown on the surface of the SiC layer, which in turn is on the surface of the SiC/ por -Si/ c -Si template. It is found for the first time that the use of the SiC/ por -Si/ c -Si template brings about the formation of a qualitatively more uniform GaN layer free of visible extended defects.

AbstractIntegrated heterostructures exhibiting a nanocolumnar morphology of the In_ x Ga_1 –_ x N film are grown on a single-crystal silicon substrate ( c -Si(111)) and a substrate with a nanoporous buffer sublayer ( por -Si) by molecular-beam epitaxy with the plasma activation of nitrogen. Using a complex of spectroscopic methods of analysis, it is shown that the growth of In_ x Ga_1 –_ x N nanocolumns on the por -Si buffer layer offer a number of advantages over growth on the c -Si substrate. Raman and ultraviolet spectroscopy data support the inference about the growth of a nanocolumn structure and agree with the previously obtained X-ray diffraction (XRD) data indicative of the strained, unrelaxed state of the In_ x Ga_1 –_ x N layer. The growth of In_ x Ga_1 –_ x N nanocolumns on the por -Si layer positively influences the optical properties of the heterostructures. At the same half-width of the emission line in the photoluminescence spectrum, the emission intensity for the heterostructure sample grown on the por -Si buffer layer is ~25% higher than the emission intensity for the film grown on the c -Si substrate.

This paper reports on influence of the nanoporous Si buffer layer on morphological, physical and structural properties of the InxGa1-xN layer with nanocolumnar morphology of the surface, grown by plasma assisted molecular beam epitaxy on the traditional Si(111) substrates. By means of various structural and spectroscopy methods electronic structure, morphology of the surface and optical properties of grown heterostructures was studied. We showed that usage of por-Si ad-layer helps to achieve more isotropic InGaN nanocolumns diameter distribution as well as to increase PL intensity up to 25%.

Thin nano-sized aluminum nitride films on GaAs (100) substrates with varying degrees of misorientation with respect to the <100> direction can be obtained by reactive ion-plasma deposition. It is shown that growth on substrates with different degrees of mismatch from the <100> direction leads to the growth of an AlN film with different phase composition and crystalline state. An increase in the degree of misorientation in the GaAs substrate used for growth is reflected both in the structural quality of nanoscale AlN films and in their electron structure, surface morphology, and optical properties. Thus, the management of the morphology, surface composition and optical functional characteristics of AlN/GaAs heterophase systems can be achieved by using the degree of misorientation of the GaAs substrates.

AbstractComplex oxide films with a thickness of about 200 nm are formed during the thermal oxidation of GaAs with magnetron-deposited V_2O_5 and MnO_2 nanolayers. The electrical parameters of the films (reverse-bias breakdown voltage and current density) are determined by the method of current–voltage ( I – V ) characteristics at room temperature in the bias range from –5 to +5 V, and their composition and surface morphology are investigated. It is shown that V_2O_5 facilitates the more intense (in comparison with MnO_2) chemical bonding of arsenic at the internal interface with the formation of As_2O_5. As a result, thermally oxidized V_2O_5/GaAs heterostructures exhibit higher breakdown voltages.

Using plasma-assisted molecular beam epitaxy (PA MBE) of nitrogen, we obtained integrated heterostructures based on a self-ordered array of GaN nanocolumns on Si substrates with a suffi-ciently uniform distribution of diameters, which subsequently coalesced into a 2D layer. The use of a 'compliant' por-Si substrate for GaN synthesis using PA MBE allowed us to obtain a crack-free GaN layer, prevent the Ga-Si etching process, maintain a sharp smooth Si-GaN interface, and also partially suppress the generation of tensile stresses caused by cooling the heterostructure from growth temperature to room temperature by its relaxation at the Si-GaN nanoporous interface, which had a positive effect on its optical properties in the UV region.

AbstractThe possibility of synthesizing integrated GaN/por-Si heterostructures by plasma-assisted molecular beam epitaxy without an A1N/Si buffer layer is demonstrated. The beneficial effect of the high-temperature nitridation of a silicon substrate before GaN growth on the crystal quality of the GaN/Si layers is shown. It is established that, to obtain two-dimensional GaN layers on Si(111), it is reasonable to use compliant por-Si substrates and low-temperature GaN seed layers with a 3D morphology synthesized by plasma-assisted molecular beam epitaxy at relatively low substrate temperatures under stoichiometric conditions and upon enrichment with nitrogen. In this case, a self-assembled array of GaN seed nanocolumns with a fairly uniform diameter distribution forms on the por-Si substrate surface. The basic GaN layers, in turn, should be grown at a high temperature under stoichiometric conditions upon enrichment with gallium, upon which the coalescence of nucleated GaN nanocolumns and growth of a continuous two-dimensional GaN layer are observed. The use of compliant Si substrates is a relevant approach for forming GaN-based semiconductor device heterostructures by plasma-assisted molecular beam epitaxy.

AbstractIt is shown for the first time that the structural and optical functional characteristics of integrated GaAs/Si(100) heterostructures can be controlled by using misoriented Si(100) substrates and their preliminary etching. The growth of an epitaxial GaAs layer on a Si substrate without the formation of antiphase domains can be carried out on a substrate deviated from the (100) singular plane by an angle smaller than 4°–6° or without a transition layer of GaAs nanocolumns. Preliminary treatment of the silicon substrate by etching makes it possible to use it for the vapor-phase epitaxial growth of a single-crystal GaAs film with a considerably smaller relaxation coefficient, which has a positive effect on the structural quality of the film. These data are in good agreement with the results of IR reflectance spectroscopy and photoluminescence and ultraviolet spectroscopy. The features of the optical properties of integrated GaAs/Si(100) heterostructures in the infrared and ultraviolet spectral regions are also defined by the relaxation coefficient.

AbstractThe properties of porous GaAs samples produced by the electrochemical etching of single-crystal n -GaAs(100) wafers are studied by X-ray diffraction analysis, electron microscopy, and infrared and ultraviolet spectroscopy. It is possible to show that, by choosing the composition of the electrolyte and the conditions of etching, samples can be produced not only with different degrees of porosity and pore sizes (nanopores/micropores), but with another type of sample surface as well. The etching of n -GaAs(100) wafers under the conditions chosen in the study does not change the orientation of the porous layer with respect to the orientation of the single-crystal GaAs(100) substrate. At the same time, etching induces a decrease in the half-width of the diffraction peak compared to that for the initial wafer, a splitting of the phonon mode in the infrared spectra and a partial shift of the components in accordance with the parameters of anodic etching, and a change in the optical properties in the ultraviolet region.

AbstractThe influence of the degree of misorientation and treatment of a GaAs substrate on the structural and optical characteristics of homoepitaxial GaAs/GaAs(100) structures grown by metal–organic chemicalvapor deposition is studied. From the data obtained by a series of structural and spectroscopic techniques, it is shown that the degree of deviation of the substrate from the exact orientation towards the [110] direction by an angle of up to 4° brings about stepwise growth of the GaAs film in the initial stage and a further increase in the degree of misorienration towards the [110] direction to 10° results in an increase in the number of structural defects in the epitaxial film. At the same time, the samples of homoepitaxial structures grown by metal–organic chemical-vapor deposition on GaAs(100) substrates misoriented by 4° towards the [110] direction possess the highest photoluminescence efficiency; it is ~15% higher than the corresponding quantity for structures grown on precisely oriented GaAs(100) substrates. Preliminary polishing of the GaAs substrate (removal of an oxide layer) also yields the intensification of photoluminescence emission compared to emission in the case of an unpolished substrate of the same type. For samples grown on substrates misoriented by 4°, such an increase in the photoluminescence efficiency is ~30%.

Получена 12 апреля 2018 г.Принята к печати 21 мая 2018 г

Комплексом структурных и микроскопических методов изучены свойства эпитаксиальных твердых растворов GaxIn1-xP с упорядоченным расположением атомов в кристаллической решетке, выращенных методом MOCVD на монокристаллических подложках GaAs(100). Показано, что в условиях когерентного роста упорядоченного твердого раствора GaxIn1-xP на GaAs(100) появление атомного упорядочения приводит к кардинальному изменению структурных свойств полупроводника по сравнению со свойствами неупорядоченных твердых растворов, среди которых изменение параметра кристаллической решетки и, как следствие, понижение симметрии кристалла, а также образование двух различных типов нанорельефа поверхности. Впервые с учетом упругих напряжений рассчитаны параметры твердых растворов GaxIn1-xP с упорядочением в зависимости от параметра порядка. Показано, что все экспериментальные результаты находятся в хорошем согласии с развитыми теоретическими представлениями. DOI: 10.21883/FTP.2017.08.44802.8480

На основе методов высокоразрешающей рентгеновской дифракции, рамановской и фотолюминесцентной спектроскопии исследованы структурные, оптические и энергетические свойства эпитаксиальных гетероструктур AlxGa1-xAs : Mg/GaAs(100) с различной степенью легирования магнием. Показано, что подбором технологических условий в твердом растворе AlxGa1-xAs : Mg может быть достигнут не только различный тип проводимости, но и существенно различная концентрация носителей заряда в эпитаксиальной пленке. DOI: 10.21883/FTP.2017.01.8342