Lithuanian Journal of Physics article / Lietuvos fizikos žurnalo straipsnis

AlAs AS A Bi BLOCKING BARRIER IN GaAsBi MULTI-QUANTUM WELLS: STRUCTURAL ANALYSIS
Renata Butkutė^a, Martynas Skapas^b, Algirdas Selskis^b, Virginijus Bukauskas^a, Sandra Stanionytė^a,b, and Gediminas Niaura^c
^aDepartment of Optoelectronics, Center for Physical Sciences and Technology, Saulėtekio 3, LT-10257 Vilnius, Lithuania
^bDepartment of Characterization of Materials Structure, Center for Physical Sciences and Technology, Saulėtekio 3, LT-10257 Vilnius, Lithuania
^cDepartment of Organic Chemistry, Center for Physical Sciences and Technology, Saulėtekio 3, LT-10257 Vilnius, Lithuania
E-mail: renata.butkute@ftmc.lt

Received 29 November 2016; revised 2 January 2017; accepted 16 March 2017

Crystallographic properties of AlAs barriers in GaAsBi-based multi-quantum well structures grown on GaAs substrates by molecular beam epitaxy (MBE) and migration-enhanced epitaxy (MEE) were studied. The quantum wells were grown at temperatures ranging from 160 to 350 °C. The width of GaAsBi quantum wells varied from 4 to 20 nm. The optimization of technological parameters for the growth of high crystalline quality AlAs barriers at low temperatures was performed. To explore the impact of high temperature treatment on crystal quality, surface roughness and chemical composition stability, ex situ rapid thermal annealing was performed at 650–750 °C for 180 s in nitrogen ambiance. The structural quality of AlAs barriers, the morphology and sharpness of the interfaces between GaAsBi quantum wells and AlAs barriers were studied by high resolution X-ray diffraction, atomic force microscopy and high resolution transmission electron microscopy, respectively. In this study it was demonstrated that MEE allows one to achieve higher crystal quality of AlAs barriers at much lower temperatures in comparison to MBE. The blocking of Bi out-diffusion from the GaAsBi quantum wells toward the surface was shown for both MBE and MEE grown AlAs barriers.

Keywords: molecular beam epitaxy, migration-enhanced epitaxy, quantum structures, high resolution X-ray diffraction, atomic force microscopy, high resolution transmission electron microscopy, Raman spectroscopy
PACS: 81.15.Hi, 61.05.cp, 68.37.Ps, 68.37.Og, 82.80.Gk

Bi DIFUZIJĄ BLOKUOJANTYS AlAs BARJERAI GaAsBi KVANTINIUOSE DARINIUOSE: STRUKTŪRINIS CHARAKTERIZAVIMAS

Renata Butkutė^a, Martynas Skapas^b, Algirdas Selskis^b, Virginijus Bukauskas^a, Sandra Stanionytė^a,b, Gediminas Niaura^c
^aFizinių ir technologijos mokslų centro Optoelektronikos skyrius, Vilnius, Lietuva
^bFizinių ir technologijos mokslų centro Medžiagų struktūrinės analizės skyrius, Vilnius, Lietuva
^cFizinių ir technologijos mokslų centro Organinės chemijos skyrius, Vilnius, Lietuva

Pristatomas kristalografinių AlAs barjerų GaAsBi junginio pagrindu daugybinių kvantinių duobių, užaugintų ant GaAs padėkliukų molekulinių pluoštelių epitaksijos ir atomų migraciją paskatinančios epitaksijos būdais, savybių tyrimas. Kvantinės duobės buvo auginamos nuo 160 iki 350 °C temperatūrose. Tiriamajame darbe jų plotis kito nuo 4 iki 20 nm. Siekiant sustabdyti Bi segregaciją iš kvantinės duobės link bandinio paviršiaus dariniuose vietoj įprastinių GaAs barjerų pasirinktas AlAs. Atliekant technologinių parametrų paiešką auginimai atlikti tiek žemose, bismidams būtinose temperatūrose, tiek ir aukštose, 600 °C siekiančiose temperatūrose. Surastos optimalios AlAs barjerų auginimo technologinės sąlygos. Darbe detaliai pateikta barjerų auginimo parametrų ir vėliau atlikto kaitinimo 750 °C temperatūroje 180 s azoto aplinkoje įtaka kristalinei AlAs sandarai, paviršiaus šiurkštumui, daugiasluoksnio kvantinio darinio sąlyčio riboms ir cheminei sudėčiai. Tyrimai atlikti didelės skyros rentgeno spindulių difrakcijos, atominių jėgų mikroskopijos ir didelės skyros peršviečiamosios elektronų mikroskopijos metodais. Atskleista, kad pasitelkus atomų migraciją paskatinančią epitaksiją galima užauginti ypač aukštos kristalinės kokybės AlAs barjerus esant daug žemesnei nei molekulinių pluoštelių epitaksijos atveju auginimo temperatūrai. Taip pat pademonstruota, kad ir molekulinių pluoštelių epitaksija, ir atomų migraciją skatinanti epitaksija, kai jų veikimo metu sudaromos optimalios auginimo sąlygos, gali būti taikomos Bi segregaciją iš GaAsBi kvantinių duobių stabdantiems AlAs barjerams auginti.

References / Nuorodos

[1] K. Oe and H. Okamoto, New semiconductor alloy GaAs_1-xBi_x grown by metal organic vapor phase epitaxy, Jpn. J. Appl. Phys. 37, L1283 (1998),
https://doi.org/10.1143/JJAP.37.L1283
[2] S. Francoeur, M.J. Seong, A. Mascarenhas, S. Tixier, M. Adamcyk, and T. Tiedje, Band gap of GaAs_1-xBi_x, 0<x<3.6%, Appl. Phys. Lett. 82, 3874 (2003),
https://doi.org/10.1063/1.1581983
[3] X. Lu, D.A. Beaton, R.B. Lewis, T. Tiedje, and Y. Zhang, Composition dependence of photoluminescence of GaAs_1-xBi_x alloys, Appl. Phys. Lett. 95, 041903 (2009),
https://doi.org/10.1063/1.3191675
[4] J. Devenson, V. Pačebutas, R. Butkutė, A. Baranov, and A. Krotkus, Structure and optical properties of InGaAsBi with up to 7% bismuth, Appl. Phys. Express 5, 015503 (2012),
https://doi.org/10.1143/APEX.5.015503
[5] R. Butkutė, V. Pačebutas, B. Čechavičius, R. Nedzinskas, A. Selskis, A. Arlauskas, and A. Krotkus, Photoluminescence at up to 2.4 μm wavelengths from GaInAsBi/AlInAs quantum wells, J. Cryst. Growth 391, 116–120 (2014),
https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2014.01.009
[6] E. Luna, M. Wu, M. Hanke, J. Puustinen, M. Guina, and A. Trampert, Spontaneous formation of three-dimensionally ordered Bi-rich nanostructures within GaAs_1-xBi_x/GaAs quantum wells, Nanotechnology 27, 32 (2016),
https://doi.org/10.1088/0957-4484/27/32/325603
[7] R. Butkutė, V. Pačebutas, B. Čechavičius, R. Adomavičius, A. Koroliov, and A. Krotkus, Thermal annealing effect on the properties of GaBiAs, Phys. Status Solidi C 9(7), 1614–1616 (2012),
https://doi.org/10.1002/pssc.201100700
[8] R. Butkutė, K. Stašys, V. Pačebutas, B. Čechavičius, R. Kondrotas, A. Geižutis, and A. Krotkus, Bismuth quantum dots and strong infrared photoluminescence in migration-enhanced epitaxy grown GaAsBi-based structures, Opt. Quant. Electron. 47, 873–882 (2015),
https://doi.org/10.1007/s11082-014-0019-8
[9] T. Kawai, H. Yonezu, H. Yoshida, and K. Pak, Ge segregation and its suppression in GaAs epilayers grown on Ge(lll) substrate, Appl. Phys. Lett. 61, 1216 (1992),
https://doi.org/10.1063/1.107599
[10] C.K. Chia, J.R. Dong, D.Z. Chi, A. Sridhara, A.S.W. Wong, M. Suryana, G.K. Dalapati, S.J. Chua, and S.J. Lee, Effects of AlAs interfacial layer on material and optical properties of GaAs/Ge(100) epitaxy, Appl. Phys. Lett. 92, 141905 (2008),
https://doi.org/10.1063/1.2908042
[11] G.J. Davies and D. Williams, The Technology and Physics of Molecular Beam Epitaxy, ed. E.H.C. Parker (Plenum Press, New York, 1985),
http://www.springer.com/us/book/9781489953667
[12] R. Butkutė, V. Pačebutas, A. Krotkus, N. Knaub, and K. Volz, Migration-enhanced epitaxy of thin GaAsBi layers, Lith. J. Phys. 54(2), 125–129 (2014),
https://doi.org/10.3952/physics.v54i2.2922
[13] F. Sarcan, O. Dönmez, K. Kara, A. Erol, E. Akalin, M.C. Arikan, H. Makhloufi, A. Arnoult, and C. Fontaine, Bismuth-induced effects on optical, lattice, and structural properties of bulk GaAsBi alloys, Nanoscale Res. Lett. 9, 119 (2014),
https://doi.org/10.1186/1556-276X-9-119
[14] J.A. Steele, R.A. Lewis, J. Horvat, M.J.B. Nancarrow, M. Henini, D. Fan, Y.I. Mazur, M. Schmidbauer, M.E. Ware, S.-Q. Yu, and G.J. Salamo, Surface effects of vapour-liquid-solid driven Bi surface droplets formed during molecular-beam-epitaxy of GaAsBi, Sci. Rep. 6, 28860 (2016),
https://doi.org/10.1038/srep28860
[15] P. Verma, K. Oe, M. Yamada, H. Harim, M. Herms, and G. Irmer, Raman studies on GaAs_1-xBi_x and InAs_1-xBi_x, J. Appl. Phys. 89, 1657–1663 (2001),
https://doi.org/10.1063/1.1336561
[16] M.J. Seong, S. Francoeur, S. Yoon, A. Mascarenhas, S. Tixier, M. Adamcyk, and T. Tiedje, Bi-induced vibrational modes in GaAsBi, Superlattices Microstruct. 37, 394–400. (2005),
https://doi.org/10.1016/j.spmi.2005.02.004
[17] G.S. Spencer, J. Menéndez, L.N. Pfeiffer, and K.W. West, Optical-phonon Raman-scattering study of short-period GaAs-AlAs superlattices: An examination of interface disorder, Phys. Rev. B 52, 8205−8218 (1995),
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.52.8205