We report a systematic study of high quality GaAs growths on on-axis (001) GaP/Si substrates using molecular beam epitaxy. Various types of dislocation filter layers and growth temperatures of initial GaAs layer were investigated to reduce the threading dislocation densities in GaAs on GaP/Si. Electron channeling contrast imaging techniques revealed that an optimized GaAs buffer layer with thermal cycle annealing and InGaAs/GaAs dislocation filter layers has a threading dislocation density of 7.2 × 106 cm−2, which is a factor of 40 lower than an unoptimized GaAs buffer. The root-mean-square surface roughness was greatly decreased from 7.8 nm to 2.9 nm after the optimization process. A strong enhancement in photoluminescence intensity indicates that the optimized GaAs template grown on on-axis (001) GaP/Si substrates is a promising virtual substrate for Si-based optoelectronic devices.

1.
W.
Wang
,
Appl. Phys. Lett.
44
,
1149
(
1984
).
2.
W.
Masselink
,
T.
Henderson
,
J.
Klem
,
R.
Fischer
,
P.
Pearah
,
H.
Morkoc
,
M.
Hafich
,
P.
Wang
, and
G.
Robinson
,
Appl. Phys. Lett.
45
,
1309
(
1984
).
3.
T.
Soga
,
S.
Hattori
,
S.
Sakai
,
M.
Takeyasu
, and
M.
Umeno
,
J. Appl. Phys.
57
,
4578
(
1985
).
4.
J.
Lee
,
H.
Shichijo
,
H.
Tsai
, and
R.
Matyi
,
Appl. Phys. Lett.
50
,
31
(
1987
).
5.
S.
Chu
,
S.
Nakahara
,
S.
Pearton
,
T.
Boone
, and
S.
Vernon
,
J. Appl. Phys.
64
,
2981
(
1988
).
6.
A.
Liu
,
J.
Peters
,
X.
Huang
,
J.
Norman
,
M.
Lee
,
A.
Gossard
, and
J.
Bowers
,
Opt. Lett.
42
(
2
),
338
341
(
2017
).
7.
J.
Norman
,
M.
Kennedy
,
J.
Selvidge
,
Q.
Li
,
Y.
Wan
,
A.
Liu
,
P.
Callahan
,
M.
Echlin
,
T.
Pollock
,
K.
Lau
,
A.
Gossard
, and
J.
Bowers
,
Opt. Express
25
,
3927
(
2017
).
8.
S.
Chen
,
M.
Liao
,
M.
Tang
,
J.
Wu
,
M.
Martin
,
T.
Baron
,
A.
Seeds
, and
H.
Liu
,
Opt. Express
25
,
4632
(
2017
).
9.
R.
Alcotte
,
M.
Martin
,
J.
Moeyaert
,
R.
Cipro
,
S.
David
,
F.
Bassani
,
F.
Ducroquet
,
Y.
Bogumilowicz
,
E.
Sanchez
,
Z.
Ye
,
X. Y.
Bao
,
J. B.
Pin
, and
T.
Baron
,
APL Mater.
4
,
046101
(
2016
).
10.
A. Y.
Liu
,
R. W.
Herrick
,
O.
Ueda
,
P. M.
Petroff
,
A. C.
Gossard
, and
J. E.
Bowers
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
21
,
1900708
(
2015
).
11.
D.
Jung
,
J.
Norman
,
M.
Kennedy
,
C.
Shang
,
B.
Shin
,
Y.
Wan
,
A.
Gossard
, and
J.
Bowers
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
122107
(
2017
).
12.
I.
Nemeth
,
B.
Kunert
,
W.
Stolz
, and
K.
Volz
,
J. Cryst. Growth
310
,
1595
(
2008
).
13.
A. E.
Romanov
,
W.
Pompe
,
G.
Beltz
, and
J. S.
Speck
,
Phys. Status Solidi B
198
,
599
(
1996
).
14.
P.
Sheldon
,
K. M.
Jones
,
M. M.
Aljassim
, and
B. G.
Yacobi
,
J. Appl. Phys.
63
,
5609
(
1988
).
15.
M.
Yamaguchi
,
A.
Yamamoto
,
M.
Tachikawa
,
Y.
Itoh
, and
M.
Sugo
,
Appl. Phys. Lett.
53
,
2293
(
1988
).
16.
M.
Yamaguchi
,
T.
Nishioka
, and
M.
Sugo
,
Appl. Phys. Lett.
54
,
24
(
1989
).
17.
K. N.
Yaung
,
S.
Kirnstoetter
,
J.
Faucher
,
A.
Gerger
,
A.
Lochtefeld
,
A.
Barnett
, and
M. L.
Lee
,
J. Cryst. Growth
453
,
65
(
2016
).
18.
S. D.
Carnevale
,
J. I.
Deitz
,
J. A.
Carlin
,
Y. N.
Picard
,
D. W.
McComb
,
M.
De Graef
,
S. A.
Ringel
, and
T. J.
Grassman
,
IEEE J. Photovoltaics
5
,
676
(
2015
).
19.
S. D.
Carnevale
,
J. I.
Deitz
,
J. A.
Carlin
,
Y. N.
Picard
,
M.
De Graef
,
S. A.
Ringel
, and
T. J.
Grassman
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
232111
(
2014
).
20.
K.
Ishida
,
M.
Akiyama
, and
S.
Nishi
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
26
,
L163
(
1987
).
21.
E. A.
Fitzgerald
,
Mater. Sci. Rep.
7
,
91
(
1991
).
22.
H. L.
Tsai
and
R. J.
Matyi
,
Appl. Phys. Lett.
55
,
265
(
1989
).
23.
K.
Asai
,
H.
Katahama
, and
Y.
Shiba
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
33
,
4843
(
1994
).
24.
G.
Beltz
,
M.
Chang
,
J.
Speck
,
W.
Pompe
, and
A.
Romanov
,
Philos. Mag. A.
76
,
807
(
1997
).
25.
J. P.
Spencer
,
C. J.
Humphreys
, and
P. B.
Hirsch
,
Philos. Mag. A.
26
,
193
(
1972
).
26.
X.
Huang
,
Y.
Song
,
T.
Masuda
,
D.
Jung
, and
M.
Lee
,
Electron. Lett.
50
,
1226
(
2014
).
27.
T.
Marschner
,
W.
Stolz
,
E.
Gobel
,
F.
Phillipp
,
M.
Muller
, and
J.
Lorberth
,
Mater. Sci. Eng., B
21
,
266
(
1993
).
28.
M.
Sugo
,
N.
Uchida
,
A.
Yamamoto
,
T.
Nishioka
, and
M.
Yamaguchi
,
J. Appl. Phys.
65
,
591
(
1989
).
29.
S.
Farrell
,
M.
Rao
,
G.
Brill
,
Y.
Chen
,
P.
Wijewarnasuriya
,
N.
Dhar
,
D.
Benson
, and
K.
Harris
,
J. Electron. Mater.
40
,
1727
(
2011
).
30.
A.
Romanov
,
W.
Pompe
,
G.
Beltz
, and
J.
Speck
,
Phys. Status Solidi B
199
,
33
(
1997
).
31.
M.
Yamaguchi
,
M.
Sugo
, and
Y.
Itoh
,
Appl. Phys. Lett.
54
,
2568
(
1989
).
32.
Y.
Takano
,
M.
Hisaka
,
N.
Fujii
,
K.
Suzuki
,
K.
Kuwahara
, and
S.
Fuke
,
Appl. Phys. Lett.
73
,
2917
(
1998
).
33.
Y.
Takano
,
T.
Kururi
,
K.
Kuwahara
, and
S.
Fuke
,
Appl. Phys. Lett.
78
,
93
(
2001
).
34.
H.
Okamoto
,
Y.
Watanabe
,
Y.
Kadota
, and
Y.
Ohmachi
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
26
,
L1950
(
1987
).
35.
R.
Kumar
,
A.
Bag
,
P.
Mukhopadhyay
,
S.
Das
, and
D.
Biswas
,
Electron. Mater. Lett.
12
,
356
(
2016
).
36.
O.
Yastrubchak
,
T.
Wosinski
,
J.
Domagata
,
E.
Lusakowska
,
T.
Figielski
,
B.
Pecz
, and
A.
Toth
,
J. Phys.: Condens. Matter
16
,
S1
(
2004
).
37.
K.
Yaung
,
M.
Vaisman
,
J.
Lang
, and
M.
Lee
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
032107
(
2016
).
38.
I.
George
,
F.
Becagli
,
H. Y.
Liu
,
J.
Wu
,
M.
Tang
, and
R.
Beanland
,
Semicond. Sci. Technol.
30
(
11
),
114004
(
2015
).
39.
R.
Fischer
,
D.
Neuman
,
H.
Zabel
,
H.
Morkoc
,
C.
Choi
, and
N.
Otsuka
,
Appl. Phys. Lett.
48
,
1223
(
1986
).
40.
R.
Fischer
,
H.
Morkoc
,
D.
Neumann
,
H.
Zabel
,
C.
Choi
,
N.
Otsuka
,
M.
Longerbone
, and
L.
Erickson
,
J. Appl. Phys.
60
,
1640
(
1986
).
41.
M.
Yamaguchi
,
M.
Tachikawa
,
Y.
Itoh
,
M.
Sugo
, and
S.
Kondo
,
J. Appl. Phys.
68
,
4518
(
1990
).
42.
Y.
Bolkhovityanov
and
O.
Pchelyakov
,
Phys.-Usp.
51
,
437
(
2008
).
43.
D.
Deppe
,
N.
Holonyak
,
K.
Hsieh
,
D.
Nam
,
W.
Plano
,
R.
Matyi
, and
H.
Shichijo
,
Appl. Phys. Lett.
52
,
1812
(
1988
).
44.
I.
Yonenaga
and
K.
Sumino
,
J. Appl. Phys.
65
,
85
(
1989
).
45.
D.
Jung
,
L.
Yu
,
D.
Wasserman
, and
M.
Lee
,
J. Appl. Phys.
118
,
183101
(
2015
).
You do not currently have access to this content.