Включение упрощенного перераспределения размеров капель Ga-капель, выращенных MBE, с помощью импульсной лазерной съемки на месте

Введение

В настоящее время, когда растет и фундаментальная физика, и практическое применение, у людей возникает большой спрос на создание различных устройств. Широко продемонстрировано, что с применением металлических наночастиц можно создавать различные устройства и структуры [1,2,3,4,5]. Как важный представитель, капельная эпитаксия, основанная на металлических каплях (наночастицах), постоянно привлекает внимание и усилия исследователей во всем мире, поскольку она предложена Когучи и др. . [6] в 1991 г., поскольку он может покрывать почти все виды низкоразмерных наноструктур, включая, помимо прочего, квантовые точки [7, 8], квантовые кольца [9,10,11] и квантовые проволоки [12, 13]. Особенно недавно некоторые очень своеобразные структуры пар квантовых точек [14, 15], молекул квантовых точек [16, 17], двойных колец [18] и множественных концентрических колец [19, 20] также успешно реализуются с помощью капельной эпитаксии. Обычно капельная эпитаксия объединяет две стадии:предварительное образование металлической капли и последующую кристаллизацию [21, 22]. Контроль размера капель на этапе образования капель является ключевым моментом для всей эпитаксии капли, поскольку он не только напрямую определяет окончательный размер квантовой структуры, но также определяет, в какую наноструктуру будут нацелены капли. Например, быстрое переключение между квантовыми точками и квантовыми кольцами может быть чувствительно инициировано настройкой размера капли, а вышеупомянутые множественные концентрические кольца построены исключительно на каплях Ga значительно огромного размера. Как хорошо известно, температура является наиболее важным фактором для регулирования размера капель, чтобы увеличить каплю, температура должна повышаться [23, 24]. Обычно Фустер и др. . увеличил температуру до 500 ° C, чтобы успешно получить огромную каплю Ga с высотой 45 нм и шириной 240 нм [25]. Однако повышение температуры резко усилит травление капель в подложке [26,27,28,29]. С помощью такого типа нано-сверла элементы капель будут израсходованы до последующей кристаллизации, а также под каплей будет развиваться паразитная структура наноотверстия, которая может загрязнить целевую квантовую структуру. Ж. М. Ван и др. . доказал, что капли Ga могут полностью исчезнуть и быть заменены вулканоподобными наноотверстиями только после отжига при 500 ° C в течение 80 с без добавления мышьяка (As) [30]. Очевидно, что повышение температуры может разрушить капли, но чтобы подтолкнуть их к увеличению, люди вынуждены это делать, это непримиримое противоречие в традиционной капельной эпитаксии. Следовательно, очень важно найти технологию, не зависящую от температуры, для изменения размера капель.

В этой статье Ga-капли с оригинальной морфологией плотности:4,1 × 10 ¹⁰ / см ² , ширина:37–65 нм и высота:4–9 нм, были получены на подложке из GaAs (001) (Sub) посредством МПЭ, а затем мы сразу же использовали импульсный УФ-лазер для съемки на месте предварительно подготовленной поверхности. Впечатляет то, что лазерная съемка ведет себя хорошей модификацией размера капель и задействованным принципом изменения размера из LIR также систематически представлена. После облучения высота и ширина капель увеличиваются до диапазонов 1–42 нм и 16–230 нм соответственно, т. Е. Мы успешно получили очень большие капли с шириной до 230 нм и высотой до 42 нм. непосредственно при очень низкой температуре 180 ° C. Таким образом, здесь сообщается о технологии изменения размера капель, обеспечивающей безопасность и эффективность. Это должно обеспечить большую свободу управления размером текущей эпитаксии капель и сделать ее более осуществимой и гибкой.

Экспериментальные методы

Эксперименты проводились на специально разработанном МЛЭ, оборудованном лазерным окном, позволяющим на месте вводить импульсный лазерный луч в камеру. В настоящее время эта прототипная система устанавливает только три источника индия (In), Ga и As. Температура роста контролируется откалиброванным пирометром. Для контроля роста также используется дифракция электронов высоких энергий на отражение. Сначала раскисленный GaAs (001) 2-дюймовый четверть Sub был покрыт 300 нм буферным слоем GaAs при 600 ° C и ВОБ As ₂ установлено как 7,6 × 10 ⁻⁶ Торр. Затем клапан As был полностью закрыт, а вспомогательная температура была временно снижена до 400 ° C, чтобы подождать, пока избыточные атомы As будут в достаточной степени захвачены холодной ловушкой с жидким азотом, и тем временем избежать поглощения As на поверхности. Пока атмосферное давление не снизилось примерно до 1,2 × 10 ⁻⁹ Торр, который почти равен наилучшему давлению ((9,5 ~ 11) × 10 ⁻¹⁰ Торр), который можно получить до роста, чтобы избежать остаточного As ₂ , субтемпература была дополнительно снижена до 180 ° C с образованием капель, соответственно, со скоростью роста Ga 0,168 ML / с и общей толщиной осаждения 4 ML. Как только рост капли Ga был завершен, образец облучали in situ одним импульсом монопучка неодим-иттрий-алюминиевого гранатового лазера с утроенной частотой (длина волны:355 нм / длительность импульса:10 нс) с энергией 35 мДж. После облучения образец сразу же извлекали для испытания морфологии поверхности с помощью АСМ в режиме постукивания. Поскольку лазерное пятно (6 мм / диаметр) намного меньше, чем 1/4 2-дюймовая Sub, обе необлученные области ( NIR ) и облучаемой области ( ИК ) можно собрать для сравнения. Для IR из-за того, что лазерное пятно имеет гауссовское профилированное распределение интенсивности, изменение морфологии капли как функция IRIT все сразу можно наблюдать на этом образце. Итак, в следующем обсуждении пять репрезентативных мест, определенных как облучение-1 ( IR1 ) до облучения-5 ( IR5 ) в ИРИТ заказ E _IR1 < E _IR2 < E _IR3 < E _IR4 < E _IR5 , были выбраны из IR для анализа и их точные положения относительно лазерного пятна отмечены на верхнем чертеже рис. 1. Как показано, положение IR5 соответствует центру лазерного пятна (обозначено как 0-позиция), затем мы линейно сканировали вправо, после каждого перемещения на 0,5 мм было получено изображение АСМ (соответствует IR4-IR1 в последовательности). Наконец, мы полностью вышли за пределы пятна и взяли изображение АСМ, определенное как NIR . (т.е. исходная морфология готовых капель Ga).

Результаты морфологии АСМ капель в a NIR и b - е IR1-IR5 ; соответствующие гистограммы распределения ширины и высоты соответственно в (г и м) NIR и ( h - l и н - г ) IR1-IR5 ; верхний рисунок показывает точное положение NIR и IR1-IR5 относящиеся к лазерному пятну

Результаты и обсуждение

На рис. 1a – f представлены результаты морфологии капель с помощью АСМ в NIR . и IR1-IR5 , соответственно. (g-l) и (m-r) - соответствующие гистограммы распределения ширины и высоты. Поскольку капли были изготовлены при температуре 180 ° C, в NIR (Рис. 1a), исходная плотность достигает 4,1 × 10 ¹⁰ / см ² а ширина и высота обычно распределены по Гауссу с доминирующей модой 45–55 нм и 4–8 нм (соответственно показаны на рис. 1g, m). Максимальный и минимальный размеры соответствуют ширине ~ 65 нм / высоте ~ 9 нм и ширине ~ 37 нм / высоте ~ 4 нм. Капли в IR1 (Рис. 1b) очень похоже на NIR . По сравнению с рис. 1h и (g) или (n) и (m) нет явных изменений. Капли в IR1 иметь одинаковый максимальный и минимальный размер с NIR . В IR2 (Рис. 1c) и IR3 (Рис. 1г) размер капли начинает изменяться при лазерной съемке. Некоторые увеличенные капли появляются на поверхности с уменьшением плотности. Специально для IR3 , доля капель, превышающих прежнюю максимальную ширину (65 нм), составляет 55% (рис. 1j), а доля капель, превышающих прежнюю максимальную высоту (рис. 1p), составляет 37%). В то же время общая плотность снизилась до 1/3 от исходной плотности. В целом, после изменения размера лазером распределение капель по размеру в любом из IR2 и IR3 сдвигается только в большую сторону, т.е. на малой стороне исходного распределения в NIR нет капель наблюдаются. Однако для капель в IR4 и IR5 , распределения не только сдвигаются в большую сторону, но и расширяются в меньшую сторону:Рис. 1e, f отображают результаты IR4 и IR5 При продолжающемся уменьшении плотности на рис. 1k – l и q – r ясно видно, что распределения капель по размерам еще больше смещаются в большую сторону. Особенно в IR5 максимальная капля (ширина:230 нм / высота:42 нм) почти в четыре раза больше максимальной (ширина:65 нм / высота:9 нм) в NIR и о таком большом размере нигде не сообщается при такой низкой температуре. Кроме того, также образуются несколько маленьких капель, размер которых меньше исходного минимального, а некоторые из них даже являются сверхминиатюрными, всего лишь с шириной 16 нм и высотой 1 нм. Итак, эволюция лазерной модификации капель Ga с IRIT полностью соблюдается и хорошо демонстрирует, что лазерная съемка может легко изменить размер капель Ga.

Чтобы интерпретировать приведенные выше экспериментальные данные, во-первых, пять частичных областей, выбранных из NIR и IR1-IR4 увеличены и показаны на рис. 2а – д соответственно. Во-вторых, мы дополнительно рассчитали эквивалентный объем ( EV ) капель Ga в NIR и IR1-IR5 . При расчете профиль сечения капли Ga приблизительно принимается как форма сферической крышки [26], тогда объем каждой капли может быть задан как

где r - радиус капли и θ - угол смачивания, соответственно, наконец, EV для NIR и IR1-IR5 были подсчитаны суммированием объемов всех капель на рис. 1а – е соответственно. На рисунке 2f показано нормализованное значение EV . результаты (треугольники) и данные нормализованной плотности (квадраты) также включены. Тогда всю эволюцию лазерного изменения размера можно было разделить на три этапа:на первом этапе ( NIR-IR1 ):Исходные капли в NIR (Рис. 2a) между стойками очень близко, и каждая капля окружает четкую и плоскую форму (см. Чертеж), что показано на Рис. 2a ′. Для IR1 (при этом облучается довольно низкой интенсивностью) по сравнению с NIR , распределение по размерам, плотность и EV почти не изменились, но наблюдается появление структуры нанокольца, окружающего капли, что отмечено белыми стрелками на рис. 2b. Мы связываем это с расширением капель при лазерном нагреве. Как показано на рис. 2b ', после облучения лазер нагревает капли для расширения (хорошо известное тепловое расширение). В то время как расширение недостаточно велико для слияния капель из-за ограниченного пересечения. По мере того, как тепло рассеивается, капли возвращаются в исходное состояние равновесия, но оставляют следы расширения, которые имеют форму кольца, окружающего расслабленную каплю (см. Черную стрелку). Поэтому на этом этапе IRIT слишком слаб для изменения размера капель; на втором этапе ( IR2-IR3 ):На рис. 2c для IR2 , наблюдается экспериментальное свидетельство слияния капель, которое отмечено желтым пунктирным прямоугольником. Отмеченная капля находится рядом с наноотверстием (белая стрелка), и она намного больше любого из NIR размером 70 нм в ширину и 12 нм в высоту. Это можно объяснить слиянием двух капель, как показано на рис. 2c ′:для A _dropt и B _капля , с помощью IRIT увеличиваясь, расширение увеличивается, что приводит к большему пересечению между ними, и тогда большее пересечение, вероятно, будет выталкивать A _drop слияние с B _каплей Таким образом, случайным образом оставляет наноотверстие, предварительно просверленное A _каплей в то же время. По сравнению с IR2 на рис. 2d для IR3 , обнаруживается слияние трех (см. желтый пунктирный прямоугольник / рис. 2d ') или даже большего количества капель, что отражает более сильный эффект лазерного изменения размера. Следовательно, для IR2 и IR3 , статистические данные распределения по размерам и плотности могут быть объяснены как результат слияния. Кроме того, как видно на рис. 2f, оба параметра IR2 и IR3 по-прежнему сохраняйте тот же EV уровень с NIR в отличие от резкого уменьшения плотности. Это означает, что на данном этапе лазерная съемка изменяет размер капель только за счет теплового расширения без потери атомов Ga. Однако на третьем этапе IR4-IR5 : EV капель начинает резко уменьшаться. Это означает, что LIR будет не только расширять капли, но и сопровождаться термическим испарением атомов Ga. После того, как ИРИТ превышает определенное значение, импульсный лазер может мгновенно нагреть каплю до уровня, превышающего порог испарения Ga. Таким образом, изменение размера капель на этой стадии зависит от коалесценции и испарения. Рисунок 2e 'иллюстрирует взаимодействие:если слияние не компенсирует потерю Ga из-за термического испарения, размер капли будет уменьшаться (см. Мини-каплю, отмеченную на рисунке 2e), а в противном случае он будет увеличиваться. В частности, некоторые огромные капли могут образоваться (см. Огромную каплю, отмеченную на рис. 2e) путем слияния нескольких капель с определенной вероятностью. Тогда такая конкуренция вполне может объяснить, почему изменение размера IR4 и IR5 специально расширяется в обе стороны. Пока что изменение размера капель с помощью импульсного LIR на месте был хорошо исследован как с точки зрения производительности, так и с точки зрения принципа. Чтобы сделать работу более организованной, ниже мы провели еще два запланированных эксперимента.

Увеличение результата морфологии AFM соответственно относительно a NIR и b - е IR1-IR4 и соответствующие рисунки морфологической динамики для ( a ′) БИК и ( b ′ - e ′) IR1-IR4 для удобства обсуждения капли с типичной морфологией при каждом увеличении тщательно отбираются и помечаются желтыми пунктирными прямоугольниками; е Результаты нормированной плотности и эквивалентного объема капель на рис. 1a / NIR , Рис. 1b / IR1 , Рис. 1c / IR2 , Рис. 1d / IR3 , Рис. 1e / IR4 и Рис. 1f / IR5

С одной стороны, согласно принципу нашего объяснения коалесценции, вызванной тепловым расширением, помимо IRIT Другим ключевым параметром является расстояние между каплями, то есть плотность капли. Как показано на рис. 3а, если мы разделим две капли в большем промежутке (от d1 до d2), коалесценция должна быть относительно подавлена ​​в результате уменьшения взаимного пересечения во время того же теплового расширения. Таким образом, мы приготовили новый образец капли при температуре 280 ° C. При повышении температуры плотность капель NIR (Рис. 3b) быстро уменьшается до 5 × 10 ⁹ / см ² , почти 1/8 образца при 180 ° C и промежутке между каплями была эффективно усилена. После облучения, как видно на рис. 3c, капли все еще имеют плотность, равную плотности NIR но окружены очень примечательными соседними кольцами (см. белые стрелки). Это отражает то, что коалесценция действительно предотвращается даже при сильном тепловом расширении, и, таким образом, еще больше укрепляет наше объяснение.

а Графическая иллюстрация влияния расстояния на слияние двух капель; Результаты морфологии АСМ капель, выращенных при 280 ° C b до и c после облучения

С другой стороны, стоит отметить, что наноотверстия (рис. 4а), наблюдаемые в нашей работе, очень мелкие с глубиной субнанометра (менее трех атомных слоев) (см. Вставку). Удивительно, но эффект сверления капель строго подавлен, и им можно почти пренебречь, чему способствует низкая субтемпература. Чтобы представить потенциальный риск нанобура при повышении температуры для капель, мы изготовили еще один образец при высокой температуре 350 ° C. После завершения роста субтемпература снизилась не сразу, а с коротким перерывом всего на 2 минуты перед быстрым охлаждением. На рисунке 4b показан результат морфологии, мы могли видеть, что произошел серьезный эффект сверления, который сильно разрушил капли. А некоторые капли (см. Стрелки) даже полностью размываются и заменяются наноотверстиями с глубиной травления в несколько нанометров (см. Вставку). Напротив, как показано на рис. 4c, капли, полученные при 180 ° C, могут оставаться стабильными после прерывания в течение 15 минут.

Результаты морфологии АСМ капель в a IR3 , b капли выросли при 350 ° C с последующим отжигом в течение 2 минут при той же температуре и c капли выросли при 180 ° C с последующим отжигом в течение 15 минут при той же температуре

Выводы

В заключение, мы провели исследование МЛЭ на месте съемки капель Ga при 180 ° C с помощью импульсного лазера и продемонстрировали, что лазерная съемка может легко и эффективно регулировать распределение капель по размерам. Эволюция морфологии капли в зависимости от IRIT тщательно изучен, и задействованный механизм также систематически разъясняется:при низком уровне облучения распределение капель по размерам смещается только в большую сторону, что может быть объяснено единственным эффектом слияния капель, вызванным лазерно-тепловым расширением капель; В то время как при высоком уровне облучения изменение размера будет особенно распространяться в обе стороны, и это является результатом своего рода конкуренции между коалесценцией и термическим испарением. Итак, здесь мы сообщили о технологии использования импульсного лазерного излучения для изменения размера капель на месте при такой низкой температуре, которая может почти предотвратить травление капель в переходник. Очевидно, наша технология прекрасно совместима с обычным раствором для капельной эпитаксии, без загрязнения, окисления и повреждений. И что стоит упомянуть, так это то, что, преобразовав однолучевое облучение в многолучевое интерференционное облучение, мы можем легко реализовать структурированное изменение размера капель для более контролируемой эпитаксии капель в будущем.

Доступность данных и материалов

Не применимо.