Monolithic integration of III-V compounds into high density Si integrated circuits is a key technological challenge for the next generation of optoelectronic devices. In this work, we report on the metal organic vapor phase epitaxy growth of strain-free GaAs crystals on Si substrates patterned down to the micron scale. The differences in thermal expansion coefficient and lattice parameter are adapted by a 2-μm-thick intermediate Ge layer grown by low-energy plasma enhanced chemical vapor deposition. The GaAs crystals evolve during growth towards a pyramidal shape, with lateral facets composed of {111} planes and an apex formed by {137} and (001) surfaces. The influence of the anisotropic GaAs growth kinetics on the final morphology is highlighted by means of scanning and transmission electron microscopy measurements. The effect of the Si pattern geometry, substrate orientation, and crystal aspect ratio on the GaAs structural properties was investigated by means of high resolution X-ray diffraction. The thermal strain relaxation process of GaAs crystals with different aspect ratio is discussed within the framework of linear elasticity theory by Finite Element Method simulations based on realistic geometries extracted from cross-sectional scanning electron microscopy images.

1.
S.
Lourdudoss
,
Curr. Opin. Solid State Mater. Sci.
16
,
91
99
(
2012
).
2.
P. M.
Petroff
,
J. Vac. Sci. Technol., B
4
,
874
(
1986
).
3.
Y.
Li
,
G.
Salviati
,
M. M. G.
Bongers
,
L.
Lazzarini
,
L.
Nasi
, and
L. J.
Giling
,
J. Cryst. Growth
163
,
195
(
1996
).
4.
M.
Akiyama
,
Y.
Kawarada
, and
K.
Kaminishi
,
J. Cryst. Growth
68
,
21
26
(
1984
).
5.
G.
Brammertz
,
Y.
Mols
,
S.
Degroote
,
V.
Motsnyi
,
M.
Leys
,
G.
Borghs
, and
M.
Caymax
,
J. Appl. Phys.
99
,
093514
(
2006
).
6.
L.
Knuuttila
,
A.
Lankinen
,
J.
Likonen
,
H.
Lipsanen
,
X.
Lu
,
P.
McNally
,
J.
Riikonen
, and
T.
Tuomi
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
44
,
7777
(
2005
).
7.
K.
Nozawa
and
Y.
Horikoshi
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
29
,
L540
L543
(
1990
).
8.
R.
Fischer
,
N.
Chand
,
W.
Kopp
,
H.
Morkog
,
L. P.
Erickson
, and
R.
Youngman
,
Appl. Phys. Lett.
47
,
397
(
1985
).
9.
Y.
González
,
L.
González
, and
F.
Briones
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
31
,
L816
L819
(
1992
).
10.
J. M.
Olson
,
M. M.
Al-Jassim
,
A.
Kibbler
, and
K. M.
Jone
,
J. Cryst. Growth
77
,
515
(
1986
).
11.
Y.
Komatsu
,
K.
Hosotani
,
T.
Fuyuki
, and
H.
Matsunami
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
36
,
5425
(
1997
).
12.
Y.
Takagi
,
H.
Yonezu
,
T.
Kawai
,
K.
Hayashida
,
K.
Samonji
,
N.
Ohshima
, and
K.
Pak
,
J. Cryst. Growth
150
,
677
(
1995
).
13.
T.
Tsuji
,
H.
Yonezu
, and
N.
Ohshima
,
J. Vac. Sci. Technol., B
22
,
1428
(
2004
).
14.
K.
Nozawa
and
Y.
Horikoshi
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
30
,
L668
(
1991
).
15.
S. M.
Ting
and
E. A.
Fitzgerald
,
J. Appl. Phys.
87
,
2618
(
2000
).
16.
J. A.
Carlin
,
S. A.
Ringel
,
E. A.
Fitzgerald
,
M.
Bulsara
, and
B. M.
Keyes
,
Appl. Phys. Lett.
76
,
1884
(
2000
).
17.
R.
Ginige
,
B.
Corbett
,
M.
Modreanu
,
C.
Barrett
,
J.
Hilgarth
,
G.
Isella
,
D.
Chrastina
, and
H.
von Känel
,
Semicond. Sci. Technol.
21
(
6
),
775
780
(
2006
).
18.
S.
Bietti
,
C.
Somaschini
,
S.
Sanguinetti
,
N.
Koguchi
,
G.
Isella
, and
D.
Chrastina
,
Appl. Phys. Lett.
95
(
24
),
241102
(
2009
).
19.
20.
J. S.
Blakemore
,
J. Appl. Phys.
53
,
R123
(
1982
).
21.
Y.
Okada
and
Y.
Tokumaru
,
J. Appl. Phys.
56
,
314
(
1984
).
22.
C. V.
Falub
,
H.
von Känel
,
F.
Isa
,
R.
Bergamaschini
,
A.
Marzegalli
,
D.
Chrastina
,
G.
Isella
,
E.
Müller
,
P.
Niedermann
, and
L.
Miglio
,
Science
335
,
1330
(
2012
).
23.
J.-S.
Park
,
J.
Bai
,
M.
Curtin
,
B.
Adekore
,
M.
Carroll
, and
A.
Lochtefeld
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
052113
(
2007
).
24.
E. A.
Fitzgerald
and
N.
Chand
,
J. Electron. Mater.
20
,
839
(
1991
).
25.
C. V.
Falub
,
T.
Kreiliger
,
F.
Isa
,
A. G.
Taboada
,
M.
Meduňa
,
F.
Pezzoli
,
R.
Bergamaschini
,
A.
Marzegalli
,
E.
Müller
,
D.
Chrastina
,
G.
Isella
,
A.
Neels
,
P.
Niedermann
,
A.
Dommann
,
L.
Miglio
, and
H.
von Känel
,
Thin Solid Films
557
,
42
49
(
2014
).
26.
A. G.
Taboada
,
T.
Kreiliger
,
C. V.
Falub
,
F.
Isa
,
M.
Salvalaglio
,
L.
Wewior
,
D.
Fuster
,
M.
Richter
,
E.
Uccelli
,
P.
Niedermann
,
A.
Neels
,
F.
Mancarella
,
B.
Alén
,
L.
Miglio
,
A.
Dommann
,
G.
Isella
, and
H.
von Känel
,
Appl. Phys. Lett.
104
(
2
),
022112
(
2014
).
27.
M.
Richter
,
E.
Uccelli
,
A. G.
Taboada
,
D.
Caimi
,
N.
Daix
,
M.
Sousa
,
C.
Marchiori
,
H.
Siegwart
,
C. V.
Falub
,
H.
von Känel
,
F.
Isa
,
G.
Isella
,
A.
Pezous
,
A.
Dommann
,
P.
Niedermann
, and
J.
Fompeyrine
,
J. Cryst. Growth
378
,
109
112
(
2013
).
28.
S.
Bietti
,
A.
Scaccabarozzi
,
C.
Frigeri
,
M.
Bollani
,
E.
Bonera
,
C. V.
Falub
,
H.
von Känel
,
L.
Miglio
, and
S.
Sanguinetti
,
Appl. Phys. Lett.
103
(
26
),
262106
(
2013
).
29.
A.
Jung
,
A. G.
Taboada
,
W.
Stumpf
,
T.
Kreiliger
,
F.
Isa
,
G.
Isella
,
E.
Barthazy Meier
, and
H.
von Känel
,
J. Appl. Phys.
118
,
075701
(
2015
).
30.
F.
Laermer
and
A.
Schilp
, U.S. patent 5501893 (26 Mar
1996
).
31.
C.
Rosenblad
,
H.
von Känel
,
M.
Kummer
,
A.
Domman
, and
E.
Muller
,
Appl. Phys. Lett.
76
,
427
(
2000
).
32.
J. T.
Robinson
,
A.
Rastelli
,
O.
Schmidt
, and
O. D.
Dubon
,
Nanotechnology
20
,
085708
(
2009
).
33.
R.
Bergamaschini
,
F.
Isa
,
C. V.
Falub
,
P.
Niedermann
,
E.
Müller
,
G.
Isella
,
H.
von Känel
, and
L.
Miglio
,
Surf. Sci. Rep.
68
,
390
(
2013
).
34.
S.
Marchionna
,
A.
Virtuani
,
M.
Acciarri
,
G.
Isella
, and
H.
von Kaenel
,
Mater. Sci. Semicond. Process.
9
,
802
(
2006
).
35.
L. D.
Landau
and
E. M.
Lifshitz
,
Theory of Elasticity
(
Pergamo Press
,
Oxford
,
1970
), Vol. 7.
36.
C. V.
Falub
,
M.
Meduňa
,
D.
Chrastina
,
F.
Isa
,
A.
Marzegalli
,
T.
Kreiliger
,
A. G.
Taboada
,
G.
Isella
,
L.
Miglio
,
A.
Dommann
, and
H.
von Känel
,
Sci. Rep.
3
,
2276
(
2013
).
37.
S. C.
Lee
,
D. L.
Huffaker
, and
S. R. J.
Brueck
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
023103
(
2008
).
38.
X. Q.
Shen
,
M.
Tanaka
,
K.
Wada
, and
T.
Nishinaga
,
J. Cryst. Growth
135
(
1
),
85
96
(
1994
).
39.
D. J.
Chadi
,
Phys. Rev. Lett.
43
,
43
(
1979
).
40.
F.
Riesz
,
J. Vac. Sci. Technol., A
14
,
425
(
1996
).
41.
H.
Nagai
,
J. Appl. Phys.
45
,
3789
(
1974
).
42.
G. H.
Olsen
and
R. T.
Smith
,
Phys. Status Solidi A
31
,
739
(
1975
).
43.
L. J.
Schowalter
,
E. L.
Hall
,
N.
Lewis
, and
S.
Hashimoto
,
Thin Solid Films
184
,
437
445
(
1990
).
44.
J. E.
Ayers
,
S. K.
Ghandhi
, and
L. J.
Schowalter
,
J. Cryst. Growth
113
,
430
(
1991
).
45.
D.
Colombo
,
E.
Grilli
,
M.
Guzzi
,
S.
Sanguinetti
,
S.
Marchionna
,
M.
Bonfanti
,
A.
Fedorov
,
H.
von Känel
,
G.
Isella
, and
E.
Müller
,
J. Appl. Phys.
101
,
103519
(
2007
).
46.
V. K.
Yang
,
M.
Groenert
,
C. W.
Leitz
,
A. J.
Pitera
,
M. T.
Currie
, and
E. A.
Fitgerald
,
J. Appl. Phys.
93
,
3859
(
2003
).
47.
J. E.
Ayers
,
J. Cryst. Growth
135
,
71
(
1994
).
48.
M. A.
Krivoglaz
,
X-ray and Neutron Diffraction of Nonideal Crystals
(
Springer
,
Berlin
,
1996
).
49.
V. M.
Kaganer
,
B.
Köhler
,
M.
Schmidbauer
,
R.
Opitz
, and
B.
Jenichen
,
Phys. Rev. B
55
,
1793
(
1997
).
50.
V. M.
Kaganer
and
K. K.
Sabelfeld
,
Phys. Rev. B
80
,
184105
(
2009
).
51.
L.
Tapfer
,
J. R.
Martinez
, and
K.
Ploog
,
Semicond. Sci. Technol.
4
,
617
621
(
1989
).
52.
D. I.
Westwood
,
D. A.
Woolf
,
S. A.
Clark
, and
R. H.
Williams
,
Mater. Sci. Eng., B
9
,
151
155
(
1991
).
53.
M.
Tachikawa
and
H.
Mori
,
Appl. Phys. Lett.
56
,
2225
(
1990
).
54.
G.
Capellini
,
M.
De Seta
,
P.
Zaumseil
,
G.
Kozlowski
, and
T.
Schroeder
,
J. Appl. Phys.
111
,
073518
(
2012
).
55.
D.
Zubia
,
S. H.
Zaidi
,
S. D.
Hersee
, and
S. R. J.
Brueck
,
J. Vac. Sci. Technol., B
18
,
3514
(
2000
).
56.
P.
Zaumseil
,
G.
Kozlowski
,
Y.
Yamamoto
,
J.
Bauer
,
M. A.
Schubert
,
T. U.
Schülli
,
B.
Tillack
, and
T.
Schroeder
,
J. Appl. Phys.
112
,
043506
(
2012
).
You do not currently have access to this content.