Rev. Phys. Appl. (Paris) 25, 951-956 (1990)
DOI: 10.1051/rphysap:01990002509095100

Caractérisation Raman des contraintes et des défauts d'interface dans GaAs/Si

A. Mlayah¹, R. Carles¹, G. Landa¹, C. Fontaine² et A. Freundlich<sup>3

1</sup>  Laboratoire de Physique des Solides, U.R.A. 74 du C.N.R.S., Université Paul Sabatier, 118 route de Narbonne, 31062 Toulouse Cedex, France
²  Laboratoire d'Automatique et d'Analyse des Systèmes, U.P.R. 8001 du C.N.R.S., 7 avenue du Colonel Roche, 31077 Toulouse Cedex, France
³  Laboratoire de Physique du Solide et d'Energie Solaire, U.P.R. 10 du C.N.R.S., Sophia-Antipolis, rue B. Grégory, 06560 Valbonne, France

Abstract
Raman spectroscopy has been performed under resonant conditions on several GaAs/Si(100) heterostructures to probe the crystalline quality, the sign, the value, the nature and the origine of the strain present in the GaAs layer. The comparison with the case of a GaAs/CaF2 sample, clearly reveals that the sign and the value of the strain are mainly related to the difference between the thermal expansion coefficients of the layer and the substrate. From a bevel edged GaAs layer, we have studied the misfit dislocations density profile in the vicinity of the interface by means of Raman lineshapes analysis of both longitudinal and transverse optical modes. The thickness of the dislocated layer is found to be about 7 nm, a value which is in agreement with the one determined from the forbidden TO mode activation, of the buffer layer deposited at low temperature during the two step growth process.

Résumé
La spectroscopie Raman a été utilisée en condition de résonance dans le cas de plusieurs hétérostructures GaAs/Si(100), pour tester la qualité cristalline et pour déterminer le signe, la valeur, la nature et l'origine des contraintes dans les couches épitaxiées. La comparaison avec le cas d'un échantillon de GaAs/CaF2, révèle que le signe et la valeur de la déformation sont essentiellement liés à la différence des coefficients de dilatation thermique de la couche et du substrat. A partir d'une couche de GaAs biseautée, nous avons étudié le profil de la densité de dislocations au voisinage de l'interface, grâce à une analyse des formes de raies Raman des modes longitudinaux et transverses optiques. L'épaisseur de la couche disloquée ainsi déterminée est voisine de 7 nm, cette valeur est en bon accord avec celle, obtenue en suivant l'activation du mode TO interdit, de la couche de nucléation déposée à basse température lors du premier stade du processus de croissance à deux étapes.

PACS
6865 - Low dimensional structures: growth, structure and nonelectronic properties.
6848 - Solid solid interfaces.
7830G - Infrared and Raman spectra in inorganic crystals.
7865J - Optical properties of nonmetallic thin films.
6170J - Etch pits, decoration, transmission electron microscopy and other direct observations of dislocations.
6570 - Thermal expansion and thermomechanical effects.

Key words
dislocation density -- elemental semiconductors -- gallium arsenide -- III V semiconductors -- interface structure -- Raman spectra of inorganic solids -- semiconductor junctions -- silicon -- spectral line breadth -- thermal expansion -- semiconductors -- interface strain -- interfacial defects -- resonant conditions -- GaAs Si 100 heterostructures -- crystalline quality -- thermal expansion coefficients -- bevel edged GaAs layer -- misfit dislocations density -- Raman lineshapes analysis -- optical modes -- Si -- Si GaAs