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Surface structures and photoluminescence of molecular beam epitaxial films of GaAs

1971; Elsevier BV; Volume: 14; Issue: 2 Linguagem: Francês

10.1016/0038-1101(71)90087-6

1879-2405

A.Y. Cho, I. Hayashi,

GaN-based semiconductor devices and materials

Surface structures were observed during molecular beam epitaxial growth of GaAs in situ in an ultrahigh vacuum high energy electron diffraction (HEED) system. The surface structures were related to the relative populations of gallium and arsenic on the substrate surface when the intensities of gallium and arsenic in the molecular beam were varied during growth. On the GaAs (111) face a (111)-2 surface structure is interpreted in terms of an arsenic-rich surface condition and a (111)-√ 19 structure is interpreted in terms of a gallium-rich condition. Only the (111)-2 surface structure was observed on the (111) face. The presence of these different surface structures under different growth conditions is interpreted in terms of rearrangements of the unshared bonds of the atoms on the crystal surface. Photoluminescence measurements were used to investigate the radiative recombination characteristics of the films grown with either a (111)-2 or a (111)-√ 19 structure present on the surface. The results show that the near gap photoluminescence intensity from a film grown under the latter condition is much higher than that from the former. A broad photoluminescence peak ∼ 0.1 eV below the band gap energy is observed on all epitaxial layers grown with the (111)-2 structure present on the surface. The peak may be reduced by annealing and may be attributed to centers associated with Ga vacancies. On a observé les structures de surface au cours de la croissance épitaxiale du faisceau moléculaire de GaAs in situ dans un appareil de diffraction d'électrons à haute puissance (HEED) sous vide extrême. Les structures de surface ont été mises en rapport avec les répartitions de gallium et d'arsenic dans le faisceau moléculaire durant sa formation. Sur la face de GaAs (111)-2 une structure de surface (111)-2 est admise comme étant une surface chargée en arsenic et la structure (111)-2-√ 19 est admise comme étant une condition chargée en gallium. La présence de ces différentes structures de surface dans des conditions différentes de formation est supposée être acceptée comme étant la manifestation de changements de liaisons non communes d'atomes sur la surface du cristal. On a utilisé les mesures de photoluminescence pour analyser les caractéristiques de recombinaison radiative des pellicules obtenues avec une structure (111)-2 ou (111)-2-√ 19 présentes sur la surface. Les résultats démontrent que le faible écart d'intensité de photoluminescence provenant d'une pellicule obtenue sous la dernière condition est beaucoup plus évident que celui obtenu sous la première. On observe une grande pointe de photoluminescence ∼ 0,1 eV au dessous de l'énergie de l'écart de bande sur toutes les couches épitaxiales obtenues avec la structure (111)-2 présente sur la surface. Cette pointe peut être réduite par recuisson et peut être attribuée aux points centraux liés absences de Ga. Beim epitaktischen Wachstum von GaAs-Schichten in situ durch Molekularstrahl in einem Hochenergie-Elektronen-beugungssystem (HEED) wurden die Oberflächenstrukturen beobachtet. Sie stehen in Zusammenhang mit der relativen Besetzung der Substratoberfläche mit Ga und As, die durch Variation der entsprechenden Molekularstrahldichten für Ga und As während des Wachstumsprozesses eingestellt wurden. Auf der (111)-GaAs-Fläche wurde eine (111)-2-Oberflächenstruktur als ein As-reicher und eine if(111)-√ 19-Struktur als Ga-reicher Oberflächenzustand interpretiert. Auf der (111)-Fläche wurde nur der erste Zustand beobachtet. Das Auftreten der verschiedenen Oberflächenstrukturen unter verschiedenen Wachstumsbedingungen wird durch die Anordnung nicht abgesättigter Atombindungen in der Kristalloberfläche erklärt. Photolumineszenzmessungen wurden zum Studium der strahlenden Rekombination der Kristallfilme mit den genannten verschiedenen Oberflächenstrukturen benutzt. Die Ergebnisse zeigen bei Schichten mit (111)- √19-Oberflächenstruktur eine wesentlich höhere Intensität der bandkantennahen Photolumineszenz als bei solchen mit (111)-2-Oberflächen. Bei diesen wird auch eine breite Lumineszenzlinie etwa 0,1 eV unterhalb der Energie des Bandabstandes gefunden. Die Intensität dieser Linie kann durch Temperung abgesenkt werden und ist eventuell auf Ga-Fehlstellen zurückzuführen.