Heterogeneously grown tunable group-IV laser on silicon

Tunable tensile-strained germanium (epsilon-Ge) thin films on GaAs and heterogeneously integrated on silicon (Si) have been demonstrated using graded III-V buffer architectures grown by molecular beam epitaxy (MBE). epsilon-Ge epilayers with tunable strain from 0% to 1.95% on GaAs and 0% to 1.11% on Si were realized utilizing MBE. The detailed structural, morphological, band alignment and optical properties of these highly tensile-strained Ge materials were characterized to establish a pathway for wavelength-tunable laser emission from 1.55 μm to 2.1 μm. High-resolution X-ray analysis confirmed pseudomorphic epsilon-Ge epitaxy in which the amount of strain varied linearly as a function of indium alloy composition in the InxGa1-xAs buffer. Cross-sectional transmission electron microscopic analysis demonstrated a sharp heterointerface between the epsilon-Ge and the InxGa1-xAs layer and confirmed the strain state of the epsilon-Ge epilayer. Lowtemperature micro-photoluminescence measurements confirmed both direct and indirect bandgap radiative recombination between the Γ and L valleys of Ge to the light-hole valence band, with L-lh bandgaps of 0.68 eV and 0.65 eV demonstrated for the 0.82% and 1.11% epsilon-Ge on Si, respectively. The highly epsilon-Ge exhibited a direct bandgap, and wavelength-tunable emission was observed for all samples on both GaAs and Si. Successful heterogeneous integration of tunable epsilon-Ge quantum wells on Si paves the way for the implementation of monolithic heterogeneous devices on Si.

Epitaxial growth of molecular crystals on van der Waals substrates for high-performance organic electronics

Epitaxial van der Waals (vdW) heterostructures of organic and layered materials are demonstrated to create high-performance organic electronic devices. High-quality rubrene films with large single-crystalline domains are grown on h-BN dielectric layers via vdW epitaxy. In addition, high carrier mobility comparable to free-standing single-crystal counterparts is achieved by forming interfacial electrical contacts with graphene electrodes.

Comprendre et maîtriser le passage de type I à type II de puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur substrat de GaSb

Les antimoniures sont des semi-conducteurs III-V prometteurs pour le développement de dispositifs optoélectroniques puisqu'ils ont une grande mobilité d'électrons, une large gamme spectrale d'émission ou de détection et offrent la possibilité de former des hétérostructures confinées dont la recombinaison est de type I, II ou III. Bien qu'il existe plusieurs publications sur la fabrication de dispositifs utilisant un alliage d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) qui émet ou détecte à une certaine longueur d'onde, les détails, à savoir comment sont déterminés les compositions et surtout les alignements de bande, sont rarement explicites. Très peu d'études fondamentales sur l'incorporation d'indium et d'arsenic sous forme de tétramères lors de l'épitaxie par jets moléculaires existent, et les méthodes afin de déterminer l'alignement des bandes des binaires qui composent ces alliages donnent des résultats variables. Un modèle a été construit et a permis de prédire l'alignement des bandes énergétiques des alliages d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) avec celles du GaSb pour l'ensemble des compositions possibles. Ce modèle tient compte des effets thermiques, des contraintes élastiques et peut aussi inclure le confinement pour des puits quantiques. De cette manière, il est possible de prédire la transition de type de recombinaison en fonction de la composition. Il est aussi montré que l'indium ségrègue en surface lors de la croissance par épitaxie par jets moléculaires d'In(x)Ga(1-x)Sb sur GaSb, ce qui avait déjà été observé pour ce type de matériau. Il est possible d'éliminer le gradient de composition à cette interface en mouillant la surface d'indium avant la croissance de l'alliage. L'épaisseur d'indium en surface dépend de la température et peut être évaluée par un modèle simple simulant la ségrégation. Dans le cas d'un puits quantique, il y aura une seconde interface GaSb sur In(x)Ga(1-x)Sb où l'indium de surface ira s'incorporer. La croissance de quelques monocouches de GaSb à basse température immédiatement après la croissance de l'alliage permet d'incorporer rapidement ces atomes d'indium et de garder la seconde interface abrupte. Lorsque la composition d'indium ne change plus dans la couche, cette composition correspond au rapport de flux d'atomes d'indium sur celui des éléments III. L'arsenic, dont la source fournit principalement des tétramères, ne s'incorpore pas de la même manière. Les tétramères occupent deux sites en surface et doivent interagir par paire afin de créer des dimères d'arsenic. Ces derniers pourront alors être incorporés dans l'alliage. Un modèle de cinétique de surface a été élaboré afin de rendre compte de la diminution d'incorporation d'arsenic en augmentant le rapport V/III pour une composition nominale d'arsenic fixe dans l'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y). Ce résultat s'explique par le fait que les réactions de deuxième ordre dans la décomposition des tétramères d'arsenic ralentissent considérablement la réaction d'incorporation et permettent à l'antimoine d'occuper majoritairement la surface. Cette observation montre qu'il est préférable d'utiliser une source de dimères d'arsenic, plutôt que de tétramères, afin de mieux contrôler la composition d'arsenic dans la couche. Des puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur GaSb ont été fabriqués et caractérisés optiquement afin d'observer le passage de recombinaison de type I à type II. Cependant, celui-ci n'a pas pu être observé puisque les spectres étaient dominés par un niveau énergétique dans le GaSb dont la source n'a pu être identifiée. Un problème dans la source de gallium pourrait être à l'origine de ce défaut et la résolution de ce problème est essentielle à la continuité de ces travaux.

2.2 eV luminescence in GaN

The yellow Luminescence in GaN centered at 2.2 eV has been studied in various epitaxial layers grown by MOVPE on sapphire and by the sandwich sublimation method on 6H-SiC substrates. The photoluminescence and optically detected magnetic resonance results can be consistently explained by a recombination model involving shallow donors and deep donors.

Growth and Characterization of III-V Semiconductor Materials for MOCVD Reactor Qualification and Process Control

Metalorganic chemical vapor deposition is examined as a technique for growing compound semiconductor structures. Material analysis techniques for characterizing the quality and properties of compound semiconductor material are explained and data from recent commissioning work on a newly installed reactor at the University of Illinois is presented.

Seed layer technique for high quality epitaxial manganite films

We introduce an innovative approach to the simultaneous control of growth mode and magnetotransport properties of manganite thin films, based on an easy-to-implement film/substrate interface engineering. The deposition of a manganite seed layer and the optimization of the substrate temperature allows a persistent bi-dimensional epitaxy and robust ferromagnetic properties at the same time. Structural measurements confirm that in such interface-engineered films, the optimal properties are related to improved epitaxy. A new growth scenario is envisaged, compatible with a shift from heteroepitaxy towards pseudo-homoepitaxy. Relevant growth parameters such as formation energy, roughening temperature, strain profile and chemical states are derived.

Low temperature magneto-photoluminescence characterization of high purity gallium arsenide and indium phosphide

Low-temperature magneto-photoluminescence is a very powerful technique to characterize high purity GaAs and InP grown by various epitaxial techniques. These III-V compound semiconductor materials are used in a wide variety of electronic, optoelectronic and microwave devices. The large binding energy differences of acceptors in GaAs and InP make possible the identification of those impurities by low-temperature photoluminescence without the use of any magnetic field. However, the sensitivity and resolution provided by this technique rema1ns inadequate to resolve the minute binding energy differences of donors in GaAs and InP. To achieve higher sensitivity and resolution needed for the identification of donors, a magneto-photoluminescence system 1s installed along with a tunable dye laser, which provides resonant excitation. Donors 1n high purity GaAs are identified from the magnetic splittings of "two-electron" satellites of donor bound exciton transitions 1n a high magnetic field and at liquid helium temperature. This technique 1s successfully used to identify donors 1n n-type GaAs as well as 1n p-type GaAs in which donors cannot be identified by any other technique. The technique is also employed to identify donors in high purity InP. The amphoteric incorporation of Si and Ge impurities as donors and acceptors in (100), (311)A and (3ll)B GaAs grown by molecular beam epitaxy is studied spectroscopically. The hydrogen passivation of C acceptors in high purity GaAs grown by molecular beam epitaxy (MBE) and metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) 1s investigated using photoluminescence. Si acceptors ~n MBE GaAs are also found to be passivated by hydrogenation. The instabilities in the passivation of acceptor impurities are observed for the exposure of those samples to light. Very high purity MOCVD InP samples with extremely high mobility are characterized by both electrical and optical techniques. It is determined that C is not typically incorporated as a residual acceptor ~n high purity MOCVD InP. Finally, GaAs on Si, single quantum well, and multiple quantum well heterostructures, which are fabricated from III-V semiconductors, are also measured by low-temperature photoluminescence.

Core-level photoemission investigations of the CDTE(100) and INSB(100) surface and interfacial structures

Photoemission techniques, utilizing a synchrotron light source, were used to analyze the clean (100) surfaces of the zinc-blende semiconductor materials CdTe and InSb. Several interfacial systems involving the surfaces of these materials were also studied, including the CdTe(lOO)-Ag interface, the CdTe(lOO)-Sb system, and the InSb(lOO)-Sn interface. High-energy electron diffraction was also employed to acquire information about of surface structure. A one-domain (2xl) structure was observed for the CdTe(lOO) surface. Analysis of photoemission spectra of the Cd 4d core level for this surface structure revealed two components resulting from Cd surface atoms. The total intensity of these components accounts for a full monolayer of Cd atoms on the surface. A structural model is discussed commensurate with these results. Photoemission spectra of the Cd and Te 4d core levels indicate that Ag or Sb deposited on the CdTe(l00)-(2xl) surface at room temperature do not bound strongly to the surface Cd atoms. The room temperature growth characteristics for these two elements on the CdTe(lOO)-(2xl) are discussed. The growth at elevated substrate temperatures was also studied for Sb deposition. The InSb(lOO) surface differed from the CdTe(lOO) surface. Using molecular beam epitaxy, several structures could be generated for the InSb(lOO) surface, including a c(8x2), a c(4x4), an asymmetric (lx3), a symmetric (lx3), and a (lxl). Analysis of photoemission intensities and line shapes indicates that the c(4x4) surface is terminated with 1-3/4 monolayers of Sb atoms. The c(8x2) surface is found to be terminated with 3/4 monolayer of In atoms. Structural models for both of these surfaces are proposed based upon the photoemission results and upon models of the similar GaAs(lOO) structures. The room temperature growth characteristics of grey Sn on the lnSb(lOO)-c(4x4) and InSb(l00)-c(8x2) surfaces were studied with photoemission. The discontinuity in the valence band maximum for this semiconductor heterojunction system is measured to be 0.40 eV, independent of the starting surface structure and stoichiometry. This result is reconciled with theoretical predictions for heterostructure behavior.

Comprendre et maîtriser le passage de type I à type II de puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur substrat de GaSb

Les antimoniures sont des semi-conducteurs III-V prometteurs pour le développement de dispositifs optoélectroniques puisqu'ils ont une grande mobilité d'électrons, une large gamme spectrale d'émission ou de détection et offrent la possibilité de former des hétérostructures confinées dont la recombinaison est de type I, II ou III. Bien qu'il existe plusieurs publications sur la fabrication de dispositifs utilisant un alliage d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) qui émet ou détecte à une certaine longueur d'onde, les détails, à savoir comment sont déterminés les compositions et surtout les alignements de bande, sont rarement explicites. Très peu d'études fondamentales sur l'incorporation d'indium et d'arsenic sous forme de tétramères lors de l'épitaxie par jets moléculaires existent, et les méthodes afin de déterminer l'alignement des bandes des binaires qui composent ces alliages donnent des résultats variables. Un modèle a été construit et a permis de prédire l'alignement des bandes énergétiques des alliages d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) avec celles du GaSb pour l'ensemble des compositions possibles. Ce modèle tient compte des effets thermiques, des contraintes élastiques et peut aussi inclure le confinement pour des puits quantiques. De cette manière, il est possible de prédire la transition de type de recombinaison en fonction de la composition. Il est aussi montré que l'indium ségrègue en surface lors de la croissance par épitaxie par jets moléculaires d'In(x)Ga(1-x)Sb sur GaSb, ce qui avait déjà été observé pour ce type de matériau. Il est possible d'éliminer le gradient de composition à cette interface en mouillant la surface d'indium avant la croissance de l'alliage. L'épaisseur d'indium en surface dépend de la température et peut être évaluée par un modèle simple simulant la ségrégation. Dans le cas d'un puits quantique, il y aura une seconde interface GaSb sur In(x)Ga(1-x)Sb où l'indium de surface ira s'incorporer. La croissance de quelques monocouches de GaSb à basse température immédiatement après la croissance de l'alliage permet d'incorporer rapidement ces atomes d'indium et de garder la seconde interface abrupte. Lorsque la composition d'indium ne change plus dans la couche, cette composition correspond au rapport de flux d'atomes d'indium sur celui des éléments III. L'arsenic, dont la source fournit principalement des tétramères, ne s'incorpore pas de la même manière. Les tétramères occupent deux sites en surface et doivent interagir par paire afin de créer des dimères d'arsenic. Ces derniers pourront alors être incorporés dans l'alliage. Un modèle de cinétique de surface a été élaboré afin de rendre compte de la diminution d'incorporation d'arsenic en augmentant le rapport V/III pour une composition nominale d'arsenic fixe dans l'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y). Ce résultat s'explique par le fait que les réactions de deuxième ordre dans la décomposition des tétramères d'arsenic ralentissent considérablement la réaction d'incorporation et permettent à l'antimoine d'occuper majoritairement la surface. Cette observation montre qu'il est préférable d'utiliser une source de dimères d'arsenic, plutôt que de tétramères, afin de mieux contrôler la composition d'arsenic dans la couche. Des puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur GaSb ont été fabriqués et caractérisés optiquement afin d'observer le passage de recombinaison de type I à type II. Cependant, celui-ci n'a pas pu être observé puisque les spectres étaient dominés par un niveau énergétique dans le GaSb dont la source n'a pu être identifiée. Un problème dans la source de gallium pourrait être à l'origine de ce défaut et la résolution de ce problème est essentielle à la continuité de ces travaux.

Stranski-Krastanov InN/InGaN quantum dots grown directly on Si(111)

The authors discuss and demonstrate the growth of InN surface quantum dots on a high-In-content In0.73Ga0.27N layer, directly on a Si(111) substrate by plasma-assisted molecular beam epitaxy. Atomic force microscopy and transmission electron microscopy reveal uniformly distributed quantum dots with diameters of 10–40 nm, heights of 2–4 nm, and a relatively low density of ∼7 × 109 cm−2. A thin InN wetting layer below the quantum dots proves the Stranski-Krastanov growth mode. Near-field scanning optical microscopy shows distinct and spatially well localized near-infrared emission from single surface quantum dots. This holds promise for future telecommunication and sensing devices.

Lattice pulling effect and strain relaxation in axial (In, Ga)N/GaN nanowire heterostructures grown on GaN-buffered Si(111) substrate

Transmission electron microscopy and spatially resolved electron energy-loss spectroscopy have been applied to investigate the indium distribution and the interface morphology in axial (In,Ga)N/GaN nanowire heterostructures. The ordered axial (In,Ga)N/GaN nanowire heterostructures with an indium concentration up to 80% are grown by molecular beam epitaxy on GaN-buffered Si(111) substrates. We observed a pronounced lattice pulling effect in all the nanowire samples given in a broad transition region at the interface. The lattice pulling effect becomes smaller and the (In,Ga)N/GaN interface width is reduced as the indium concentration is increased in the (In,Ga)N section. The result can be interpreted in terms of the increased plastic strain relaxation via the generation of the misfit dislocations at the interface.

Electroreflectance characterization of AlInGaN/GaN high-electron mobility heterostructures

Room temperature electroreflectance (ER) spectroscopy has been used to study the fundamental properties of AlxInyGa${}_{1-x-y}$N/AlN/GaN heterostructures under different applied bias. The (0001)-oriented heterostructures were grown by metal-organic vapor phase epitaxy on sapphire. The band gap energy of the AlxInyGa${}_{1-x-y}{\rm{N}}$ layers has been determined from analysis of the ER spectra using Aspnes' model. The obtained values are in good agreement with a nonlinear band gap interpolation equation proposed earlier. Bias-dependent ER allows one to determine the sheet carrier density of the two-dimensional electron gas and the barrier field strength.

Electron tomography of (In,Ga)N insertions in GaN nanocolumns grown on semi-polar (11(2)over-bar2) GaN templates

We present results of scanning transmission electron tomography on GaN/(In,Ga)N/GaN nanocolumns (NCs) that grew uniformly inclined towards the patterned, semi-polar GaN( 112̄ 2 ) substrate surface by molecular beam epitaxy. For the practical realization of the tomographic experiment, the nanocolumn axis has been aligned parallel to the rotation axis of the electron microscope goniometer. The tomographic reconstruction allows for the determination of the three-dimensional indium distribution inside the nanocolumns. This distribution is strongly interrelated with the nanocolumn morphology and faceting. The (In,Ga)N layer thickness and the indium concentration differ between crystallographically equivalent and non-equivalent facets. The largest thickness and the highest indium concentration are found at the nanocolumn apex parallel to the basal planes.

Electrocatalytic oxidation enhancement at the surface of InGaN films and nanostructures grown directly on Si(111)

Pronounced electrocatalytic oxidation enhancement at the surface of InGaN layers and nanostructures directly grown on Si by plasma-assisted molecular beam epitaxy is demonstrated. The oxidation enhancement, probed with the ferro/ferricyanide redox couple increases with In content and proximity of nanostructure surfaces and sidewalls to the c-plane. This is attributed to the corresponding increase of the density of intrinsic positively charged surface donors promoting electron transfer. Strongest enhancement is for c-plane InGaN layers functionalized with InN quantum dots (QDs). These results explain the excellent performance of our InN/InGaN QD biosensors and water splitting electrodes for further boosting efficiency.