Быстрая переконфигурация размера капель Ga, выращенных МЛО, с использованием in-situ УФ импульсного лазерного облучения

Аннотация

Поверхность капель галлия (Ga), приготовленная МЛО на подложке GaAs (001), облучается in-situ одиночным импульсом УФ лазера. Показано, что лазерный импульс позволяет легко переконфигурировать размер капель Ga, получая специальные капли с экстремально широким распределением размеров: ширина 16–230 нм, высота 1–42 нм. Благодаря энергетической неоднородности через пятно лазера, модификация капли как функция интенсивности облучения (IRIT) может быть исследована на одном образце и механизмы прояснены. Систематически лазерное изменение размера воспринимается как: при низком уровне облучения лазерный нагрев только расширяет капли, вызывая их слияние — распределение размеров сдвигается только в сторону увеличения; при высоком уровне облучения лазер вызывает не только термическое расширение, но и термическое испарение атомов Ga, что сдвигает распределение в обе стороны. Все эти сдвиги размеров можно точно контролировать, меняя IRIT лазера, что дает большую свободу проектирования капельного эпитаксиального роста в будущем.

Введение

С развитием фундаментальной физики и практических приложений растет спрос на различные устройства. Широко демонстрируется, что разнообразные устройства и структуры могут быть построены с использованием металлических наночастиц [1-5]. Важным представителем является капельный эпитаксиальный рост, основанный на металлических каплях (наночастицах), который непрерывно привлекает мировое внимание с 1991 года, когда предложен Koguchi et al. [6], так как охватывает практически все виды низкоразмерных наноструктур: квантовые точки [7, 8], квантовые кольца [9-11], квантовые провода [12, 13]. Недавно реализованы уникальные структуры: пары квантовых точек [14, 15], квантовые молекулы [16, 17], двойные кольца [18] и множественные концентрические кольца [19, 20]. Обычно капельный эпитаксиальный рост включает два этапа: предварительное формирование металлической капли и последующая кристаллизация [21, 22]. Контроль размера капель на этапе формирования — ключевой момент, так как он определяет конечный размер квантовой структуры и то, какой наноструктурой станет капля. Например, быстрый переход между квантовыми точками и кольцами чувствительно запускается настройкой размера капли, а множественные концентрические кольца строятся исключительно на крупных каплях Ga. Известно, что температура — главный фактор регулировки размера капель: для увеличения капли температуру нужно повышать [23, 24]. Fuster et al. поднимали температуру до 500 °C, получая огромную каплю Ga высотой 45 нм и шириной 240 нм [25]. Однако повышение температуры резко усиливает травление капли в подложку [26-29]. Элементы капли потребляются до кристаллизации, а паразитная структура наноотверстия формируется под каплей, что может загрязнить целевую квантовую структуру. Zh. M. Wang et al. доказали, что капли Ga полностью исчезают и заменяются вулканическими наноотверстиями после отжига при 500 °C в течение 80 с без подачи мышьяка (As) [30]. Повышение температуры может разрушить капли, но для их роста это необходимо — неразрешимое противоречие традиционного капельного эпитаксиального роста. Поэтому поиск технологии модификации размера капель, независимой от температуры, имеет великое значение.

В данной работе капли Ga с исходной морфологией: плотность 4,1×10¹⁰ см⁻², ширина 37–65 нм, высота 4–9 нм, были получены на подложке GaAs (001) методом МЛО и тут же in-situ облучены УФ импульсным лазером. Удивительно, лазер хорошо модифицирует размер капель, и принцип изменения размера от LIR систематически представлен. После облучения высота и ширина капель расширяются до диапазонов 1–42 нм и 16–230 нм соответственно — получены экстремально большие капли шириной 230 нм и высотой 42 нм прямо при очень низкой температуре 180 °C. Сообщается технология изменения размера капель с безопасностью и эффективностью. Это даст большую свободу контроля размера в текущем капельном эпитаксиальном росте, делая его более реализуемым и гибким.

Экспериментальные методы

Эксперименты проводились на специально спроектированной МЛО установке с лазерным окном для in-situ ввода импульсного лазерного пучка в камеру. В прототипе установлены три источника: In, Ga, As. Температура роста мониторится пирометром с калибровкой. Для контроля роста используется рефлексивная высокоэнергетическая электронная дифракция. Сначала деоксидизированная подложка GaAs (001) 2-дюймовая четвертинка покрывалась 300 нм буферным слоем GaAs при 600 °C, давление As₂ (BEP) 7,6×10⁻⁶ Торр. Затем клапан As полностью закрывали, температуру подложки снижали до 400 °C для захвата избыточных атомов As азотной ловушкой и предотвращения адсорбции As на поверхности. Когда давление As снижалось до ~1,2×10⁻⁹ Торр (близко к лучшему вакууму (9,5–11)×10⁻¹⁰ Торр), температуру подложки дальше снижали до 180 °C для формирования капель со скоростью роста Ga 0,168 ML/s и общей толщиной осаждения 4 ML. Сразу после роста капель образец in-situ облучали одиночным импульсом моно-пучком лазера с утроенной частотой неодимовый иттрий-алюминий-гранат (длина волны 355 нм, длительность импульса 10 нс) энергией 35 мДж. После облучения образец немедленно извлекали для АФМ в режиме таппинга. Поскольку лазерное пятно (6 мм диаметр) намного меньше 1/4 2-дюймовой подложки, можно сравнивать необилуемую (NIR) и облученную (IR) области. В IR из-за гауссово-подобного распределения интенсивности пятна, морфологическая эволюция капли как функция IRIT наблюдается на одном образце. Для анализа выбраны пять представительных локаций: IR1–IR5 в порядке возрастания IRIT (E_IR1 < E_IR2 < E_IR3 < E_IR4 < E_IR5). Их позиции относительно лазерного пятна показаны на верхнем рисунке Рис. 1. IR5 соответствует центру пятна (0-позиция), затем линейное сканирование вправо с шагом 0,5 мм, на каждом шаге АФМ изображение (IR4–IR1 последовательно). В конце полностью выходили за пятно — АФМ NIR (исходная морфология капель Ga).

Результаты и обсуждение

Рис. 1a–f — АФМ морфология капель в NIR и IR1–IR5. (g–l) и (m–r) — гистограммы ширины и высоты. Поскольку капли выращены при 180 °C, в NIR (Рис. 1a) исходная плотность 4,1×10¹⁰ см⁻², ширина и высота гауссово распределены с доминирующими модами 45–55 нм и 4–8 нм (Рис. 1g, m). Макс/мин размеры: ~65 нм ширина/~9 нм высота и ~37 нм/~4 нм. Капли в IR1 (Рис. 1b) очень похожи на NIR. Явных изменений нет ни в гистограммах ширины (h vs g), ни высоты (n vs m). Макс/мин размеры те же. В IR2 (Рис. 1c) и IR3 (Рис. 1d) размер начинает модифицироваться. Появляются увеличенные капли с уменьшением плотности. Особенно в IR3: капли шире прежнего максимума (65 нм) составляют 55% (Рис. 1j), выше прежнего максимума высоты (9 нм) — 37% (Рис. 1p). Плотность снижается до 1/3 исходной. Общее распределение размеров в IR2 и IR3 сдвигается только в сторону увеличения — малых капель меньше исходного минимума нет. В IR4 и IR5 (Рис. 1e,f) распределения не только сдвигаются к увеличению, но и расширяются к уменьшению: при дальнейшем снижении плотности распределения дальше сдвигаются к крупным размерам. В IR5 максимальная капля (230 нм ширина, 42 нм высота) почти в 4 раза больше максимальной в NIR (65/9 нм) — такой большой размер при такой низкой температуре не сообщался ранее. Кроме того, появляются малые капли ниже исходного минимума, некоторые ультра-малые: 16 нм ширина, 1 нм высота. Эволюция лазерной модификации капель Ga с IRIT полностью наблюдаема и демонстрирует, что лазер легко изменяет размер капель.

Для интерпретации данных, пять частичных областей из NIR и IR1–IR4 увеличены и показаны на Рис. 2a–e. Дополнительно рассчитан эквивалентный объем (EV) капель Ga в NIR и IR1–IR5. Профиль сечения капли приближен как сферический сегмент [26], объем каждой капли:

V = π r³ (2 − 3 cos θ + cos³ θ) / 3 sin³ θ (1)

где r — радиус капли, θ — угол контакта. EVs для NIR и IR1–IR5 получены суммированием объемов всех капель на Рис. 1a–f. Рис. 2f показывает нормированные EV (треугольники) и нормированную плотность (квадраты). Эволюция лазерного изменения размера делится на три стадии:

Первая стадия (NIR–IR1): Исходные капли в NIR (Рис. 2a) стоят близко, окружение каждой капли чистое и плоское (см. чертеж), показано на Рис. 2a'. Для IR1 (очень низкая интенсивность) по сравнению с NIR распределение размеров, плотность и EV почти не меняются, но появляется структура нано-кольца, окружающая капли (белые стрелки на Рис. 2b). Приписывается расширению капель лазерным нагревом. Как показано на Рис. 2b', после облучения лазер нагревает капли к расширению (термическое расширение). Расширение недостаточно сильное для коалесценции из-за ограниченного перекрытия. При рассеянии тепла капли возвращаются в исходное равновесие, оставляя следы расширения в виде кольца вокруг расслабленной капли (черная стрелка). На этой стадии IRIT слишком слаб для изменения размера.

Вторая стадия (IR2–IR3): На Рис. 2c для IR2 экспериментальное доказательство коалесценции капель отмечено желтым пунктиром. Отмеченная капля граничит с нано-отверстием (белая стрелка) и намного крупнее любых в NIR: 70 нм ширина, 12 нм высота. Объясняется коалесценцией двух капель (Рис. 2c'): для A_капля и B_капля, с ростом IRIT расширение усиливается, увеличивается перекрытие, что толкает A влиться в B случайно, оставляя нано-отверстие, проделанное A. На Рис. 2d для IR3 обнаружено слияние трех и более капель (желтый пунктир/Рис. 2d'), отражающее более сильный эффект лазерного ресайзинга. Статистические данные IR2 и IR3 объясняются коалесценцией. На Рис. 2f EV для IR2 и IR3 остается на уровне NIR, в то время как плотность резко падает. Значит, на этой стадии лазер только ресайзит капли через термическое расширение без потери атомов Ga.

Третья стадия (IR4–IR5): EV капель начинает резко падать. Указывает, что LIR не только расширяет капли, но и сопровождается термическим испарением атомов Ga. Когда IRIT превышает определенное значение, импульсный лазер может мгновенно нагреть каплю выше порога испарения Ga. Ресайзинг на этой стадии ко-управляется коалесценцией и испарением. Рис. 2e' иллюстрирует взаимодействие: если коалесценция не компенсирует потери Ga испарением, размер капли уменьшается (маленькая капля на Рис. 2e), иначе — увеличивается. Особенно крупные капли могут формироваться (крупная капля на Рис. 2e) за счет слияния множества капель с определенной вероятностью. Такая конкуренция объясняет, почему сдвиг размера в IR4 и IR5 расширяется в обе стороны. Таким образом, ресайзинг капель in-situ импульсным LIR детально изучен с точки зрения производительности и принципа. Для лучшей организации проведены еще два спроектированных эксперимента.

С одной стороны, согласно принципу термического расширения, индуцирующего коалесценцию, кроме IRIT, межкапельное расстояние (плотность капель) — другой ключевой параметр. На Рис. 3a: если разделить две капли большим зазором (d1→d2), коалесценция должна быть подавлена из-за уменьшенного перекрытия при том же термическом расширении. Приготовили новый образец капель при 280 °C. При повышении температуры плотность NIR (Рис. 3b) падает до 5×10⁹ см⁻², почти 1/8 от образца при 180 °C, межпространство эффективно увеличено. После облучения (Рис. 3c) плотность остается равной NIR, но капли окружены яркими соседними кольцами (белые стрелки). Это отражает, что коалесценция действительно предотвращена даже при сильном термическом расширении, что мощно подтверждает наше объяснение.

С другой стороны, стоит отметить, что нано-отверстия (Рис. 4a) в нашей работе очень неглубокие — глубина суб-нанометровая (менее трех атомных слоев) (см. вставку). Удивительно, эффект сверления капелями строго подавлен и может быть пренебрежен благодаря низкой температуре подложки. Чтобы показать потенциальный риск нано-сверления при повышении температуры, изготовили образец при 350 °C. После роста температуру не снижали сразу, а делали короткую паузу 2 мин перед быстрым охлаждением. Рис. 4b показывает серьезный эффект сверления — капли сильно разрушены. Некоторые капли (стрелки) полностью разъедены и заменены нано-отверстиями с глубиной травления несколько нанометров (вставка). Напротив, капли при 180 °C остаются стабильными после паузы 15 мин (Рис. 4c).

Заключение

Проведено исследование in-situ облучения импульсным лазером капель Ga при 180 °C в МЛО и продемонстрировано, что лазер легко и высокоэффективно регулирует распределение размеров капель. Морфологическая эволюция капли как функция IRIT детально изучена, механизм систематически прояснен: при низком уровне облучения распределение размеров сдвигается только к увеличению — только коалесценция, индуцированная лазерным термическим расширением; при высоком уровне — сдвиг расширяется в обе стороны — конкуренция между коалесценцией и термическим испарением. Сообщается технология in-situ ресайзинга капель импульсным лазером при такой низкой температуре, что почти предотвращает травление капель в подложку. Технология прекрасно совместима с обычным капельным эпитаксиальным ростом, без загрязнения, окисления и повреждений. Стоит отметить, что модернизация моно-пучкового облучения до много-пучковой интерференционной позволит легко реализовать паттернированную модификацию размера капель для более контролируемого капельного эпитаксиального роста в будущем.

Доступность данных и материалов

Не применимо.