ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2025-25-6-1058-1066ntv-538Research ArticleНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИMATERIAL SCIENCE AND NANOTECHNOLOGIESВлияние скорости эпитаксиального роста сильно напряженных квантовых ям InGaAs на фотолюминесценцию гетероструктур на подложках GaAsInfluence of the growth rate of a highly strained InGaAs quantum well on the photoluminescence of a heterostructures grown on GaAs substratehttps://orcid.org/0009-0001-3683-5558ПапылевД. С.PapylevD. S.

Денис Сергеевич Папылев, инженер

197101; Санкт-Петербург

sc 59241769900

Denis S. Papylev, Engineer

197101; Saint Petersburg

sc 59241769900

dspapylev@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3463-4744БабичевА. В.BabichevA. V.

Андрей Владимирович Бабичев, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

197101; Санкт-Петербург

sc 56819964000

Andrey V. Babichev, PhD (Physics & Mathematics), Senior Researcher

197101; Saint Petersburg

sc 56819964000

a.babichev@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9448-2471ГладышевА. Г.GladyshevA. G.

Андрей Геннадьевич Гладышев, кандидат физико-математических наук, главный специалист по эпитаксии

194292; Санкт-Петербург

sc 6701588481

Andrey G. Gladyshev, PhD (Physics & Mathematics), Chief Epitaxy Specialist

194292; Saint Petersburg

sc 6701588481

andrey.gladyshev@connector-optics.comhttps://orcid.org/0000-0002-5634-8183КарачинскийЛ. Я.KarachinskyL. Ya.

Леонид Яковлевич Карачинский, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник

197101; Санкт-Петербург

sc 6603558355

Leonid Ya. Karachinsky, D.Sc., Leading Researcher

197101; Saint Petersburg

sc 6603558355

lkarachinsky@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7471-8627АндрюшкинВ. В.AndryushkinV. V.

Владислав Васильевич Андрюшкин, кандидат технических наук, ведущий специалист по эпитаксии, старший научный сотрудник

197101; 194292; Санкт-Петербург

sc 57209329441

Vladislav V. Andryushkin, PhD, Leading Specialist in Epitaxy, Senior Researcher

197101; 194292; Saint Petersburg

sc 57209329441

vvandriushkin@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1983-0242НовиковИ. И.NovikovI. I.

Иннокентий Игоревич Новиков, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

197101; Санкт-Петербург

sc 7202658480

Innokenty I. Novikov, PhD (Physics & Mathematics), Senior Researcher

197101; Saint Petersburg

sc 7202658480

innokenty.novikov@itmo.ruhttps://orcid.org/0009-0009-2212-0437ЕфимовА. О.EfimovA. O.

Арсений Олегович Ефимов, аспирант

197101; Санкт-Петербург

Arseny O. Efimov, PhD Student

197101; Saint Petersburg

aoefimov@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0789-4241ЕгоровА. Ю.EgorovA. Yu.

Антон Юрьевич Егоров, доктор физико-математических наук, технический директор

194292; Санкт-Петербург

sc 7202362169

Anton Yu. Egorov, D.Sc. (Physics & Mathematics), Chief Technology Officer

194292; Saint Petersburg

sc 7202362169

anton.egorov@connector-optics.comhttps://orcid.org/0000-0003-0982-907XНадточийА. М.NadtochiyA. M.

Алексей Михайлович Надточий, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

190008; Санкт-Петербург

sc 26642604500

Alexey M. Nadtochiy, PhD (Physics & Mathematics), Leading Researcher

190008; Saint Petersburg

sc 26642604500

al.nadtochy@mail.ioffe.ruУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian FederationООО «Коннектор Оптикс»РоссияConnector Optics LLCRussian FederationУниверситет ИТМО; ООО «Коннектор Оптикс»РоссияITMO University; Connector Optics LLCRussian FederationНациональный исследовательский университет «Высшая школа экономики» (Санкт-Петербургский филиал)РоссияNational Research University Higher School of EconomicsRussian Federation20252312202525610581066Copyright © Папылев Д.С., Бабичев А.В., Гладышев А.Г., Карачинский Л.Я., Андрюшкин В.В., Новиков И.И., Ефимов А.О., Егоров А.Ю., Надточий А.М., 20252025Папылев Д.С., Бабичев А.В., Гладышев А.Г., Карачинский Л.Я., Андрюшкин В.В., Новиков И.И., Ефимов А.О., Егоров А.Ю., Надточий А.М.Papylev D.S., Babichev A.V., Gladyshev A.G., Karachinsky L.Y., Andryushkin V.V., Novikov I.I., Efimov A.O., Egorov A.Y., Nadtochiy A.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/538   Введение

   Введение. Эпитаксия сильно напряженных квантовых ям InGaAs с мольной долей индия более 35 % является технологически сложной задачей. Эффективность люминесценции таких квантовых ям в значительной степени зависит от их структурного качества. Изготовление гетероструктур с упруго-напряженными эпитаксиальными слоями требует оптимизации параметров эпитаксиального роста, одним из которых является скорость роста эпитаксиального слоя.

   Метод

   Метод. Методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках GaAs изготовлены гетероструктуры с квантовыми ямами InxGa1–xAs (0,37 ≤ x < 0,41) с различной скоростью осаждения слоя от 0,24 Å/с до 3,3 Å/с. Методом рентгеновской дифрактометрии определены фактические толщина и состав квантовой ямы, а также исследовано структурное качество гетероструктур. Проведены измерения спектров фотолюминесценции изготовленных гетероструктур при температурах 20 К и 300 К с различной мощностью оптической накачки. На основании зависимости интенсивности фотолюминесценции от мощности накачки произведены расчеты рекомбинационных токов и оценено время безызлучательной рекомбинации в квантовых ямах исследуемых гетероструктур.

   Основные результаты

   Основные результаты. Содержание InAs в квантовых ямах изготовленных гетероструктур определено в диапазоне 37,0–40,6 %. Исходя из анализа кривых качания рентгеновской дифракции определено ухудшение структурного качества гетероструктур при низкой (0,24 Å/с) скорости роста InGaAs. Измерения методом спектроскопии фотолюминесценции показали значительно более высокую интенсивность фотолюминесценции квантовых ям с умеренной скоростью роста InGaAs (0,9–2,5 Å/с) по сравнению с остальными образцами. Рассчитанные значения времени безызлучательной рекомбинации в квантовых ямах, выращенных при умеренных скоростях роста, составили порядка 10–6 с при температуре 20 К и 10–9 с при 300 К. В случае увеличения и уменьшения скорости роста время безызлучательной рекомбинации сокращается.

   Обсуждение

   Обсуждение. Полученные результаты показали достижение наилучшего структурного качества сильно напряженных слоев InGaAs при поддержании скорости роста InGaAs в диапазоне 0,9–2,5 Å/с. Представленные результаты могут быть применены при оптимизации параметров эпитаксиального роста сильно напряженных квантовых ям InGaAs при изготовлении монолитного вертикально-излучающего лазера на подложке GaAs спектрального диапазона 1200–1300 нм.

   Epitaxy of highly strained InGaAs quantum wells with a mole fraction of indium exceeding 35 % is a technologically challenging task. The structural quality of these elastically strained epitaxial layers greatly affects the photoluminescence efficiency of quantum wells. Therefore, in order to achieve high structural quality, optimization of the epitaxial growth parameters is required, one of which is the growth rate of the epitaxial layer. Heterostructures containing the InxGa1–xAs (0.37 ≤ x < 0.41) quantum well were produced on GaAs substrates by molecular beam epitaxy with different growth rates of InGaAs ranging from 0.24 to 3.3 Å/s. The actual thickness and composition of the quantum well were determined by X-ray diffractometry, as well as the structural quality of the heterostructures was investigated. The photoluminescence spectra of the manufactured heterostructures were measured at temperatures of 20 K and 300 K at different optical pumping powers. Based on the dependence of photoluminescence intensity on pumping power, recombination currents were calculated and the time of non-radiative recombination in the studied structures was estimated. The InAs content in the quantum wells of the manufactured heterostructures ranged from 37.0 % to 40.6 %. Based on analysis of X-ray rocking curves, deterioration of structural quality at low deposition rate of 0.24 Å/s was observed. The photoluminescence spectroscopy measurements showed a significantly higher photoluminescence intensity of quantum wells at moderate growth rates of InGaAs (0.9–2.5 Å/s) compared to other samples. The calculated values for the non-radiative recombination lifetime of quantum wells produced at these moderate growth rates were in the order of 10–6 s at 20 K and 10–9 s at 300 K. At higher or lower growth rates, the values of the non-radiative recombination lifetime decreased. The results obtained demonstrate the achievement of the best structural quality for highly strained InGaAs layers produced at 0.9–2.5 Å/s growth rate. These results can be used to optimize the parameters of epitaxial growth processes for highly strained quantum wells based on InGaAs, for fabricating monolithic vertical-cavity surface-emitting lasers, based on GaAs substrate, operating in the 1200–1300 nm spectral range.

напряженные квантовые ямыфотолюминесценцияструктурные дефектывремя безызлучательной рекомбинациимолекулярно-пучковая эпитаксияскорость ростаInGaAsstrained quantum wellsphotoluminescencestructural defectsnon-recombination lifetimemolecular-beam epitaxygrowth rateInGaAsРабота авторов из Университета ИТМО по анализу данных рентгеновской дифракции и фотолюминесценции поддержана Министерством науки и высшего образования Российской Федерации (государственное задание № FSER-2025-0025)The work of the authors from ITMO University on the X-ray diffraction and photoluminescence data analysis was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (State Assignment No. FSER- 2025-0025)ReferencesSundgren P., Berggren J., Goldman P., Hammar M. Highly strained InGaAs∕GaAs multiple quantum-wells for laser applications in the 1200–1300 nm wavelength regime // Applied Physics Letters. 2005. V. 87. N 7. P. 071104. doi: 10.1063/1.2010615Sundgren P., Berggren J., Goldman P., Hammar M. Highly strained InGaAs∕GaAs multiple quantum-wells for laser applications in the 1200–1300 nm wavelength regime. Applied Physics Letters, 2005, vol. 87, no. 7, pp. 071104. doi: 10.1063/1.2010615Sundgren P., von Würtemberg R.M., Berggren J., Hammar M., Ghisoni M., Oscarsson V., Ödling E., Malmquist J. High-performance 1.3 µm InGaAs vertical cavity surface emitting lasers // Electronics Letters. 2003. V. 39. N 15. P. 1128–1129. doi: 10.1049/el:20030733Sundgren P., von Würtemberg R.M., Berggren J., Hammar M., Ghisoni M., Oscarsson V., Ödling E., Malmquist J. High-performance 1.3 µm InGaAs vertical cavity surface emitting lasers. Electronics Letters, 2003, vol. 39, no. 15, pp. 1128–1129. doi: 10.1049/el:20030733Kondo T., Arai M., Onomura A., Miyamoto T., Koyama F. 1.23 μm long wavelength highly strained GaInAs/GaAs quantum well laser // Proc. of the 15<sup>th</sup> Annual Meeting of the IEEE Lasers and Electro-Optics Society. 2002. P. 618–619. doi: 10.1109/LEOS.2002.1159459Kondo T., Arai M., Onomura A., Miyamoto T., Koyama F. 1.23 μm long wavelength highly strained GaInAs/GaAs quantum well laser. Proc. of the 15<sup>th</sup> Annual Meeting of the IEEE Lasers and Electro-Optics Society, 2002, pp. 618–619. doi: 10.1109/LEOS.2002.1159459Westbergh P., Söderberg E., Gustavsson J.S., Modh P., Larsson A., Zhang Z., Berggren J., Hammar M. Single mode 1.3 um InGaAs VCSELs for access network applications // Proceedings of SPIE. 2008. V. 6997. P. 69970Y. doi: 10.1117/12.781294Westbergh P., Söderberg E., Gustavsson J.S., Modh P., Larsson A., Zhang Z., Berggren J., Hammar M. Single mode 1.3 um InGaAs VCSELs for access network applications. Proceedings of SPIE, 2008, vol. 6997, pp. 69970Y. doi: 10.1117/12.781294Takeda K., Miyamoto T., Kondo T., Uchiyama Y., Kitabayashi N., Uchida T., Matsutani A., Koyama F. Wavelength extension effect on lasing characteristics of highly-strained GaInAs/GaAs vertical-cavity surface-emitting lasers with cavity detuning // Japanese Journal of Applied Physics. 2006. V. 45. N 8S. P. 6691. doi: 10.1143/JJAP.45.6691Takeda K., Miyamoto T., Kondo T., Uchiyama Y., Kitabayashi N., Uchida T., Matsutani A., Koyama F. Wavelength extension effect on lasing characteristics of highly-strained GaInAs/GaAs vertical-cavity surface-emitting lasers with cavity detuning. Japanese Journal of Applied Physics, 2006, vol. 45, no. 8S, pp. 6691. doi: 10.1143/JJAP.45.6691Deki R., Sasaki T., Takahasi M. Strain relaxation and compositional separation during growth of InGaAs/GaAs (001) // Journal of Crystal Growth. 2017. V. 468. P. 241–244. doi: 10.1016/j.jcrysgro.2017.01.028Deki R., Sasaki T., Takahasi M. Strain relaxation and compositional separation during growth of InGaAs/GaAs (001). Journal of Crystal Growth, 2017, vol. 468, pp. 241–244. doi: 10.1016/j.jcrysgro.2017.01.028Grandjean N., Massies J. Epitaxial growth of highly strained InxGa1− xAs on GaAs (001): the role of surface diffusion length // Journal of Crystal Growth. 1993. V. 134. N 1-2. P. 51–62. doi: 10.1016/0022-0248(93)90008-kGrandjean N., Massies J. Epitaxial growth of highly strained InxGa1− xAs on GaAs (001): the role of surface diffusion length. Journal of Crystal Growth, 1993, vol. 134, no. 1-2, pp. 51–62. doi: 10.1016/0022-0248(93)90008-kChang K.H., Bhattacharya P.K., Gibala R. Characteristics of dislocations at strained heteroepitaxial InGaAs/GaAs interfaces // Journal of Applied Physics. 1989. V. 66. N 7. P. 2993–2998. doi: 10.1063/1.344183Chang K.H., Bhattacharya P.K., Gibala R. Characteristics of dislocations at strained heteroepitaxial InGaAs/GaAs interfaces. Journal of Applied Physics, 1989, vol. 66, no. 7, pp. 2993–2998. doi: 10.1063/1.344183Yang V.K., Ting S.M., Groenert M.E., Bulsara M.T., Currie M.T., Leitz C.W., Fitzgerald E.A. Comparison of luminescent efficiency of InGaAs quantum well structures grown on Si, GaAs, Ge, and SiGe virtual substrate // Journal of Applied Physics. 2003. V. 93. N 9. P. 5095–5102. doi: 10.1063/1.1563031Yang V.K., Ting S.M., Groenert M.E., Bulsara M.T., Currie M.T., Leitz C.W., Fitzgerald E.A. Comparison of luminescent efficiency of InGaAs quantum well structures grown on Si, GaAs, Ge, and SiGe virtual substrate. Journal of Applied Physics, 2003, vol. 93, no. 9, pp. 5095–5102. doi: 10.1063/1.1563031Sun W., Kim H., Mawst L.J., Tansu N. Interplay of GaAsP barrier and strain compensation in InGaAs quantum well at near-critical thickness // Journal of Crystal Growth. 2020. V. 531. P. 125381. doi: 10.1016/j.jcrysgro.2019.125381Sun W., Kim H., Mawst L.J., Tansu N. Interplay of GaAsP barrier and strain compensation in InGaAs quantum well at near-critical thickness. Journal of Crystal Growth, 2020, vol. 531, pp. 125381. doi: 10.1016/j.jcrysgro.2019.125381Sweeney S.J., Eales T.D., Adams A.R. The impact of strained layers on current and emerging semiconductor laser systems // Journal of Applied Physics. 2019. V. 125. N 8. P. 082538. doi: 10.1063/1.5063710Sweeney S.J., Eales T.D., Adams A.R. The impact of strained layers on current and emerging semiconductor laser systems. Journal of Applied Physics, 2019, vol. 125, no. 8, pp. 082538. doi: 10.1063/1.5063710Dong H., Sun J., Ma S., Liang J., Jia Z., Liu X., Xu B. Interfacial relaxation analysis of InGaAs/GaAsP strain-compensated multiple quantum wells and its optical property // Superlattices and Microstructures. 2018. V. 114. P. 331–339. doi: 10.1016/j.spmi.2017.12.049Dong H., Sun J., Ma S., Liang J., Jia Z., Liu X., Xu B. Interfacial relaxation analysis of InGaAs/GaAsP strain-compensated multiple quantum wells and its optical property. Superlattices and Microstructures, 2018, vol. 114, pp. 331–339. doi: 10.1016/j.spmi.2017.12.049Jasik A., Wnuk A., Wójcik-Jedlińska A., Jakieła R., Muszalski J., Strupiński W., Bugajski M. The influence of the growth temperature and interruption time on the crystal quality of InGaAs/GaAs QW structures grown by MBE and MOCVD methods // Journal of Crystal Growth. 2008. V. 310. N 11. P. 2785–2792. doi: 10.1016/j.jcrysgro.2008.02.018Jasik A., Wnuk A., Wójcik-Jedlińska A., Jakieła R., Muszalski J., Strupiński W., Bugajski M. The influence of the growth temperature and interruption time on the crystal quality of InGaAs/GaAs QW structures grown by MBE and MOCVD methods. Journal of Crystal Growth, 2008, vol. 310, no. 11, pp. 2785–2792. doi: 10.1016/j.jcrysgro.2008.02.018Jasik A., Wnuk A., Gaca J., Wójcik M., Wójcik-Jedlińska A., Muszalski J., Strupiński W. The influence of the growth rate and V/III ratio on the crystal quality of InGaAs/GaAs QW structures grown by MBE and MOCVD methods // Journal of Crystal Growth. 2009. V. 311. N 19. P. 4423–4432. doi: 10.1016/j.jcrysgro.2009.07.032Jasik A., Wnuk A., Gaca J., Wójcik M., Wójcik-Jedlińska A., Muszalski J., Strupiński W. The influence of the growth rate and V/III ratio on the crystal quality of InGaAs/GaAs QW structures grown by MBE and MOCVD methods. Journal of Crystal Growth, 2009, vol. 311, no. 19, pp. 4423–4432. doi: 10.1016/j.jcrysgro.2009.07.032Wang Q., Wang H., Zhang B., Wang X., Liu W., Wang J., Wang J., Fan J., Zou Y., Ma X. Integrated fabrication of a high strain InGaAs/GaAs quantum well structure under variable temperature and improvement of properties using MOCVD technology // Optical Materials Express. 2021. V. 11. N 8. P. 2378–2388. doi: 10.1364/OME.431015Wang Q., Wang H., Zhang B., Wang X., Liu W., Wang J., Wang J., Fan J., Zou Y., Ma X. Integrated fabrication of a high strain InGaAs/GaAs quantum well structure under variable temperature and improvement of properties using MOCVD technology. Optical Materials Express, 2021, vol. 11, no. 8, pp. 2378–2388. doi: 10.1364/OME.431015Chuev M.A., Lomov A.A., Imamov R.M. Simultaneous analysis of double-crystal X-ray rocking curves from a set of crystallographic planes // Crystallography Reports. 2006. V. 51. N 2. P. 178–191. doi: 10.1134/S1063774506020027Chuev M.A., Lomov A.A., Imamov R.M. Simultaneous analysis of double-crystal X-ray rocking curves from a set of crystallographic planes. Crystallography Reports, 2006, vol. 51, no. 2, pp. 178–191. doi: 10.1134/S1063774506020027Asryan L.V. Spontaneous radiative recombination and nonradiative Auger recombination in quantum-confined heterostructures // Quantum Electronics. 2005. V. 35. N 12. P. 1117–1120. doi: 10.1070/QE2005v035n12ABEH013093Asryan L.V. Spontaneous radiative recombination and nonradiative Auger recombination in quantum-confined heterostructures. Quantum Electronics, 2005, vol. 35, no. 12, pp. 1117–1120. doi: 10.1070/QE2005v035n12ABEH013093Gurioli M., Vinattieri A., Colocci M., Deparis C., Massies J., Neu G., Bosacchi A., Franchi S. Temperature dependence of the radiative and nonradiative recombination time in GaAs/AlxGa1–xAs quantum-well structures // Physical Review B. 1991. V. 44. N 7. P. 3115–3124. doi: 10.1103/PhysRevB.44.3115Gurioli M., Vinattieri A., Colocci M., Deparis C., Massies J., Neu G., Bosacchi A., Franchi S. Temperature dependence of the radiative and nonradiative recombination time in GaAs/AlxGa1–xAs quantum-well structures. Physical Review B, 1991, vol. 44, no. 7, pp. 3115–3124. doi: 10.1103/PhysRevB.44.3115

The authors declare that there are no conflicts of interest present.