Three-dimensional, epitaxial GaAs crystals are fabricated on micro-pillars patterned into Si(001) substrates by exploiting kinetically controlled growth conditions in Molecular Beam Epitaxy. The evolution of crystal morphology during growth is assessed by considering samples with increasing GaAs deposit thickness. Experimental results are interpreted by a kinetic growth model, which takes into account the fundamental aspects of the growth and mutual deposition flux shielding between neighboring crystals. Different substrate pattern geometries with dissimilar lateral sizes and periodicities of the Si micro-pillars are considered and self-similar crystal structures are recognized. It is demonstrated that the top faceting of the GaAs crystals is tunable, which can pave the way to locally engineer compound semiconductor quantum structures on Si(001) substrates.
References
1.
J. G.
Cederberg
, K. E.
Waldrip
, and G. M.
Peake
, J. Cryst. Growth
272
, 588
(2004
).2.
S. C.
Lee
, L. R.
Dawson
, S. R. J.
Brueck
, and Y.-B.
Jiang
, Appl. Phys. Lett.
87
, 023101
(2005
).3.
S. C.
Lee
, L. R.
Dawson
, and S. R. J.
Brueck
, Appl. Phys. Lett.
87
, 071110
(2005
).4.
J. Z.
Li
, J.
Bai
, J.-S.
Park
, B.
Adekore
, K.
Fox
, M.
Carroll
, A.
Lochtefeld
, and Z.
Shellenbarger
, Appl. Phys. Lett.
91
, 021114
(2007
).5.
G.
Wang
, M. R.
Leys
, R.
Loo
, O.
Richard
, H.
Bender
, N.
Waldron
, G.
Brammertz
, J.
Dekoster
, W.
Wang
, M.
Seefeldt
, M.
Caymax
, and M. M.
Heyns
, Appl. Phys. Lett.
97
, 121913
(2010
).6.
C.-P.
Chu
, S.
Ara
, T.
Nie
, K.
Yao
, X.
Kou
, L.
He
, C.-Y.
Wang
, S.-Y.
Chen
, L.-J.
Chen
, S. M.
Qasim
, M. S.
BenSaleh
, and K. L.
Wang
, Cryst. Growth Des.
14
, 593
(2014
).7.
Q.
Li
, K. W.
Ng
, and K. M.
Lau
, Appl. Phys. Lett.
106
, 072105
(2015
).8.
F.
Pezzoli
, F.
Isa
, G.
Isella
, C. V.
Falub
, T.
Kreiliger
, M.
Salvalaglio
, R.
Bergamaschini
, E.
Grilli
, M.
Guzzi
, H.
von Känel
, and L.
Miglio
, Phys. Rev. Appl.
1
, 044005
(2014
).9.
F.
Isa
, F.
Pezzoli
, G.
Isella
, M.
Meduňa
, C. V.
Falub
, E.
Müller
, T.
Kreiliger
, A. G.
Taboada
, H.
von Känel
, and L.
Miglio
, Semicond. Sci. Technol.
30
, 105001
(2015
).10.
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
).11.
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
).12.
C. V.
Falub
, T.
Kreiliger
, F.
Isa
, A. G.
Taboada
, F.
Pezzoli
, R.
Bergamaschini
, A.
Marzegalli
, D.
Chrastina
, G.
Isella
, A.
Neels
, P.
Niedermann
, A.
Dommann
, and L.
Miglio
, Thin Solid Films
557
, 42
(2014
).13.
A.
Marzegalli
, F.
Isa
, H.
Groiss
, E.
Müller
, C. V.
Falub
, A. G.
Taboada
, P.
Niedermann
, G.
Isella
, F.
Schäffler
, F.
Montalenti
, H.
von Känel
, and L.
Miglio
, Adv. Mater.
25
, 4408
(2013
).14.
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
).15.
H.
von Känel
, F.
Isa
, C. V.
Falub
, E. J.
Barthazy
, E.
Müller
, D.
Chrastina
, G.
Isella
, T.
Kreiliger
, A. G.
Taboada
, M.
Meduňa
, R.
Kaufmann
, A.
Neels
, A.
Dommann
, P.
Niedermann
, F.
Mancarella
, M.
Mauceri
, M.
Puglisi
, D.
Crippa
, F.
La Via
, R.
Anzalone
, N.
Piluso
, R.
Bergamaschini
, A.
Marzegalli
, and L.
Miglio
, ECS Trans.
64
, 631
(2014
).16.
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
, 262106
(2013
).17.
C.
Frigeri
, S.
Bietti
, A.
Scaccabarozzi
, R.
Bergamaschini
, C. V.
Falub
, V.
Grillo
, M.
Bollani
, E.
Bonera
, P.
Niedermann
, S.
Sanguinetti
, and L.
Miglio
, Acta Phys. Pol. A
125
, 986
(2014
).18.
B.
Wu
, A.
Kumar
, and S.
Pamarthy
, J. Appl. Phys.
108
, 051101
(2010
).19.
T.
Walther
, J. Microsc.
221
, 137
(2006
).20.
M.
López
, T.
Ishikawa
, and Y.
Nomura
, Electron. Lett.
29
, 2225
(1993
).21.
M.
López
, T.
Ishikawa
, and Y.
Nomura
, Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
32
, L1051
(1993
).22.
S.
Koshiba
and Y.
Nakamura
, J. Appl. Phys.
76
, 4138
(1994
).23.
J.-R.
Ro
, S.-J.
Park
, S.-B.
Kim
, and E.-H.
Lee
, Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
35
, 1202
(1996
).24.
R.
Williams
, M.
Ashwin
, J.
Neave
, and T.
Jones
, J. Cryst. Growth
227–228
, 56
(2001
).25.
P.
Atkinson
and D. A.
Ritchie
, J. Cryst. Growth
278
, 482
(2005
).26.
S.
Koshiba
, Y.
Nakamura
, T.
Noda
, S.
Watanabe
, H.
Akiyama
, and H.
Sakaki
, J. Cryst. Growth
227–228
, 62
(2001
).28.
H.
Mori
, M.
Tachikawa
, T.
Yamada
, and T.
Sasaki
, J. Cryst. Growth
154
, 23
(1995
).29.
Q.
Xu
, J. W. P.
Hsu
, E. A.
Fitzgerald
, J. M.
Kuo
, Y. H.
Xie
, and P. J.
Silverman
, J. Electron. Mater.
25
, 1009
(1996
).30.
R. D.
Bringans
, D. K.
Biegelsen
, and L.-E.
Swartz
, Phys. Rev. B
44
, 3054
(1991
).31.
S. M.
Ting
and E. A.
Fitzgerald
, J. Appl. Phys.
87
, 2618
(2000
).32.
R.
Fischer
, H.
Morkoç
, D. A.
Neumann
, H.
Zabel
, C.
Choi
, N.
Otsuka
, M.
Longerbone
, and L. P.
Erickson
, J. Appl. Phys.
60
, 1640
(1986
).33.
H.
Kroemer
, J. Cryst. Growth
81
, 193
(1987
).34.
K.
Ohta
, T.
Kojima
, and T.
Nakagawa
, J. Cryst. Growth
95
, 71
(1989
).35.
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
, 022112
(2014
).36.
S.
Bietti
, C.
Somaschini
, L.
Esposito
, A.
Fedorov
, and S.
Sanguinetti
, J. Appl. Phys.
116
, 114311
(2014
).37.
N.
Moll
, A.
Kley
, E.
Pehlke
, and M.
Scheffler
, Phys. Rev. B
54
, 8844
(1996
).38.
J.
Platen
, A.
Kley
, C.
Setzer
, K.
Jacobi
, P.
Ruggerone
, and M.
Scheffler
, J. Appl. Phys.
85
, 3597
(1999
).39.
M.
Ohtsuka
and S.
Miyazawa
, J. Appl. Phys.
64
, 3522
(1988
).40.
M.
Ohtsuka
, J. Cryst. Growth
205
, 112
(1999
).41.
P.
Chen
, J. Y.
Kim
, A.
Madhukar
, and N. M.
Cho
, J. Vac. Sci. Technol. B
4
, 890
(1986
).42.
T.
Kojima
, N. J.
Kawai
, T.
Nakagawa
, K.
Ohta
, T.
Sakamoto
, and M.
Kawashima
, Appl. Phys. Lett.
47
, 286
(1985
).43.
According to Fig. 2, a {10n} pyramidal shape should be expected after 4 μm GaAs growth. Here, the “hut” shape still persists, possibly due to fluctuations in the growth conditions. The introduction of Al, whose diffusivity is at least one order of magnitude lower than the one of Ga (see Ref. 22) might also play a role in delaying the shape transition.
44.
S.
Nilsson
, E.
van Gieson
, D. J.
Arent
, H. P.
Meier
, W.
Walter
, and T.
Forster
, Appl. Phys. Lett.
55
, 972
(1989
).45.
S.
Guha
and A.
Madhukar
, J. Appl. Phys.
73
, 8662
(1993
).46.
X.-Q.
Shen
, D.
Kishimoto
, and T.
Nishinaga
, Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
33
, 11
(1994
).47.
K.
Shiraishi
, Y. Y.
Suzuki
, H.
Kageshima
, and T.
Ito
, Appl. Surf. Sci.
130–132
, 431
(1998
).48.
Y.
Nakamura
, S.
Koshiba
, M.
Tsuchiya
, H.
Kano
, and H.
Sakaki
, Appl. Phys. Lett.
59
, 700
(1991
).49.
C. A.
Verschuren
, M. R.
Leys
, H.
Vonk
, and J. H.
Wolter
, Appl. Phys. Lett.
74
, 2197
(1999
).50.
Y.
Nomura
, Y.
Morishita
, S.
Goto
, Y.
Katayama
, and T.
Isu
, Appl. Phys. Lett.
64
, 1123
(1994
).51.
J.
Márquez
, P.
Kratzer
, L.
Geelhaar
, K.
Jacobi
, and M.
Scheffler
, Phys. Rev. Lett.
86
, 115
(2001
).© 2016 Author(s).
2016
Author(s)
You do not currently have access to this content.
