Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Для реализации возможности проведения теоретических исследований процессов капельной эпитаксии в нестационарных условиях роста, а именно в случае осаждения атомов с нерегулярной периодичностью, была проведена оптимизация разработанной ранее гибридной математической модели процессов самоорганизации наноразмерных металлических капель (In,Ga) на ростовых поверхностях переменного состава Al(Ga,In)As. В положения модели были введены новые величины: длительность интервала прерывания осаждения, периодичность прерывания осаждения и количество прерываний – характеризующие степень нестационарного пересыщения среды. В зависимости от значений данных величин в процессе вычислительного эксперимента происходило прерывание осаждения атомов на поверхность на заданное время, в течение которого при этом происходило дальнейшее созревание ростовой системы, проявляющееся в миграции атомов как в пределах смачивающего слоя, так и в области сформированных капель. Дополнительно было введено условие, позволяющий учесть в модели наблюдаемый экспериментально эффект снижения критической толщины формирования капель In на Al-содержащих поверхностях, а также увеличения среднего размера и снижения поверхностной плотности капель In при увеличении доли Al в поверхностном эпитаксиальном слое. В результате проведенных теоретических исследований выявлено, что в ходе процессов выдержки без осаждения происходит перераспределение материала на поверхности. В связи с тем, что вероятность распада устойчивого закритического островка крайне мала, атомы мигрируют преимущественно из смачивающего слоя в области капель. В результате перераспределения материала в процессе прерывания осаждения происходит увеличение среднего размера капель, в то время как толщина смачивающего слоя уменьшается. Данный процесс имеет более ярко выраженный эффект при увеличении времени выдержки. Кроме того, разница в размерах капель возрастает при увеличении температуры осаждения. Было показано увеличение вероятности зарождения островков в случае роста с нестационарным пересыщением среды, что обусловлено повышением вероятности зарождения островков в результате созревания смачивающего слоя, учитываемого в моделировании посредством формирования критической области трехмерного островка. Так же было выявлено влияние нестационарного пересыщения среды на интенсивность зарождения островков, что обусловлено увеличением интенсивности поверхностной диффузии адатомов вследствие снижения скорости осаждения. Влияние прерывания осаждения на поверхностную плотность при снижении температуры становится менее существенным. Экспериментальные исследования закономерностей влияния нестационарного пересыщения среды на процессы нуклеации и эволюции In- и Ga-содержащих систем «нанокапля+смачивающий слой» на As-стабилизированных поверхностях GaAs(001) показали, что использование изменения температуры непосредственно в процессе осаждения нанокапельных структур не оказывает существенного влияния на процессы нуклеации в силу ограниченности максимально достижимого градиента (около 5℃/мин при температуре образца 300℃ и 10℃/мин – при температуре 400℃), что не обеспечивает значимых изменений пересыщений среды. Результаты экспериментальных исследований влияния интервального осаждения (прерываний) имеют противоречивый характер. Если экспериментально наблюдаемая плотность действительно имеет тенденцию к незначительному снижению (15-20%, в зависимости от стартовых условий осаждения), что качественно коррелирует с теоретическими результатами, то размер структур не согласуется с результатами моделирования. Снижение скорости осаждения или применение интервального осаждения должно приводить к увеличению среднего размера структур на 20-30%. Однако экспериментально наблюдаемые значения либо практически не изменяются, либо снижаются при снижении скорости и/или использовании интервального осаждения. Фактически увеличение размера не наблюдается, что справедливо как для In-, так и для Ga-содержащих систем. Анализ параметров рабочей среды в процессе осаждения нанокапель, а также изменения их начального и конечного размера, показал, что причиной такого необычного поведения является фоновое давление рабочей среды, задаваемое в первую очередь остаточным давлением паров мышьяка. Несмотря на то, что достаточным уровнем вакуума для капельной эпитаксии считается давление 2,0(-7) Па, изменение его в пределах 8,0(-8) – 1,5(-7) Па может оказывать существенное влияние, пренебрегать которым в случае использования капельных наноструктур с начальным небольшим размером, поскольку увеличение фонового давления может приводить к полному исчезновению капльных структур. Совокупность экспериментальных данных и сравнение их теоретическими позволяет сделать вывод, что плотность и размер нанокапельных структур первоначально действительно определяются температурой, скоростью, толщиной и режимом осаждения и исходным состоянием поверхности (тип реконструкции определяет долю мышьяка и, соответственно, влияет на критическую толщину осаждения). Однако формируемые в процессе осаждения металлические составляющие системы играют роль геттера, захватывая и связывая мышьяк из атмосферы. Таким образом, плотность ансамбля капельных структур может быть изменена в ограниченных пределах за счет использования режима интервального осаждения, поскольку на практике эффект нестационарного пересыщения среды может быть существенным образом лимитирован фоновым давлением мышьяка. Использование фонового давления в качестве управляющего параметра затруднительно в силу его многофакторности, но его влияние потенциально может быть снижено за счет формирования на поверхности дополнительных резервуаров металлической компоненты. Фоновое давление также определяет конечное время существования нанокапельных структур на поверхности. Проведены экспериментальные исследования и получены закономерности процессов кристаллизации капельных наноструктур, а также влияния молекулярной формы мышьяка (As2/As4) на процессы кристаллизации нанокапель In и Ga в области температур (100-300℃). Было установлено, что низкотемпературная (при температурах формирования капельных структур) кристаллизация не приводит к формированию квантовоточечных структур во всем диапазоне рассматриваемых условий (время экспозиции в потоке мышьяка 10 – 15 мин, величина потока 0,1 – 4,0 МС/с) – в подавляющем большинстве случае происходит либо образование комплексных структур металл/полупроводник, либо кольцевых систем, либо диффузионных дисковых систем. Использование двухстадийной методики кристаллизации, предполагающей этап высокотемпературного отжига в потоке мышьяка без заращивания структур, позволяет значительно улучшить структурные и морфологические системы кристаллических наноструктур. При этом наблюдается корреляции между параметрами массивов капельных и кристаллических структур. Было обнаружено, что размер структур в процессе кристаллизации увеличивается примерно в 1,5 раза, что требует разработки подходов, позволяющих уменьшить исходный размер капельных структур и подавить их диффузионное растаскивание на этапе кристаллизации с образованием колец и иных комплексов. Также было установлено, что снижение температуры отжига с 500 до 400℃ приводит к подавлению синтеза кристаллитов и образованию комплексных систем кольцо+диффузионный диск, в то время как временя отжига имеет второстепенное значение. Сравнительные исследования процессов кристаллизации капельных наноструктур в эквивалентных потока димеров и тетрамеров в диапазоне температур 100-300℃ показали, что использование тетрамеров позволяет получать кристаллические структуры, коррелирующие по своим параметрам (размер, плотность) с их предшественниками – ансамблем нанокапель. При этом корреляция усиливается с уменьшением начального размера капельных структур. Использование димеров приводит к образованию структур диаметром 20 – 50 нм во всем диапазоне рассматриваемых условий. В то же время корреляция между параметрами ансамбля металлических нанокапель и конечными кристаллическими структурами практически не прослеживается ни по плотности, ни по размеру – вне зависимости от исходной плотности и начального размера структур после кристаллизации наблюдается примерно одна и та же картина.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Проведены исследования влияния нестационарного пересыщения среды в условиях Me- и As-стабилизации, а также различной динамики изменения пересыщения в области высоких температур (300-500°С), а также исследования влияния состава поверхности AlGaAs на особенности протекания данных процессов. Проведены исследования влияния состава поверхности на параметры капельных наноструктур. Теоретически и экспериментально было показано для всего исследуемого диапазона ростовых температур, что в условиях As-стабилизации в капельной эпитаксии увеличение содержания AlAs в поверхностном слое приводит к росту подвижности адатомов после завершения формирования смачивающего слоя номинальной толщиной 1 МС. Причем роль состава поверхности возрастает с увеличением температуры подложки, однако толщина смачивающего слоя никогда не снижается менее 1 МС. В области очень низких температур эффект влияния алюминия нивелирован большей толщиной смачивающего слоя. Сопоставление экспериментальных и теоретических результатов показывает, что в основе явления лежит большая химическая активность атомов алюминия, что приводит к росту энергии связи адатомов первого слоя в процессе формирования смачивающего слоя. При этом энергия такой связи достаточно велика, чтобы исключить атомы металла первого монослоя смачивающего слоя из процессов обменного взаимодействия с атомами слоев, лежащих выше, во всем исследуемом диапазоне температур. Проведены исследования образцов с капельными наноструктурами индия методом РФЭС с выявлением распределения элементов по глубине. Анализ элементного состава по глубине структур In/GaAs показал отсутствие какого-либо избыточного количества мышьяка на низкотемпературном образце в сравнении с высокотемпературным. Детальный компонентный анализ показывает, что весь обнаруженный мышьяк находится в связанном состоянии: либо в составе подложки (GaAs), либо в составе интерфейса (In-As-Ga) на гетерогранице (показано впервые). Спектральных линий, отвечающих элементарному мышьяку или соединению InxAsy не обнаруживается. Таким образом, можно говорить, что используемые при синтезе капельных наноструктур режимы исключают накопление элементарного (или молекулярного) мышьяка на поверхности в количествах, достаточных для сколь-либо существенного влияния на кинетику процессов. С использованием контраста во вторичных электронах впервые показана неоднородность распределения материала смачивающего слоя по поверхности. Разработана методика анализа ультратонких слоев методом EDS. Оптимизированы режимы элементного анализа с капельных наноструктур с использованием методики на базе EDS. Экспериментально показано изменение толщины смачивающего слоя в окрестностях капельных наноструктур. В рамках исследований процессов роста на Ме-стабилизированных ростовых поверхностях впервые было экспериментально обнаружено, что предосаждение галлия на As-стабилизированную поверхность может приводить не только к исчезновению смачивающего слоя, но и росту плотности капельных структур при одновременном снижении их размера. Наблюдаемый эффект может быть обусловлен как увеличением энергии обменного взаимодействия в системе «адатом – смачивающий слой», так и формирование избытка металлической компоненты в процессе предварительного осаждения металла. Была выполнена оптимизация и корректировка разработанной ранее гибридной модели роста капельных структур с учетом результатов экспериментальных данных. Начата разработка модели ростовых процессов на основе теории функционала плотности. Были проведены исследования процессов кристаллизации наноструктур (In,Ga)/Ga(Al)As. Установлены оптимальные режимы кристаллизации для In- и Ga-содержащих систем, включая температуру и длительность этапа отжига, величины потоков ростовых компонент. Проведены исследования влияния сверхнизких потоков мышьяка на процессы образования и роста наноструктур In(As) и Ga(As). Показано, что с увеличением ультрамалого потока мышьяка наблюдается последовательная смена режимов от диффузионного уменьшения капли к формированию комплекса «кольцо + капля» с выходом на насыщение с образованием вероятно полностью кристаллических комплексов «квантовая точка + кольцо». Показана относительно высокая повторяемость процесса. Показано, что скорость диффузионного растаскивания капельных наноструктур (и уменьшения их размера) нелинейным образом зависит от их первоначального размера (объема капли). Увеличение размера капли приводит практически к линейному виду зависимости. Использование изначально малых капель (надкритические режимы) делает процесс модификации их размеров с использованием ультрамалых потоков мышьяка сложно управляемым и слабо воспроизводимым.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Проведены экспериментальные исследования влияния величины абсолютных значений ультрамалого потока As на параметры капельных наноструктур In(As)/Ga(Al)As. Показано, что уменьшение количества осажденного материала и, как следствие, размера (и объема) капельных наноструктур приводит к значительному росту их чувствительности к потоку As на этапе экспозиции. Компромиссом между степенью контроля уменьшения размера капель и воспроизводимостью, с одной стороны, и минимизацией негативного влияния избыточного материала вне капельных наноструктур (в смачивающем слое) – с другой, представляется диапазон толщин 1,5 – 2,0 МС. Пороговым значением ультрамалого потока As является 5,0(-7) Па, по достижении которого происходит практически полный распад капель любого исходного объема, а остаточный объем не превышает 0,9%. Таким образом, с точки зрения степени контроля процессами диффузионного распада капельных наноструктур In, предпочтительно использовать потоки As, не превышающие 5,0(-7) Па (при прочих равных). В случае Ga-содержащих систем исследования показали ограниченность применения экспозиции в ультрамалых потоках для пост-коррекции размеров капельных структур: в области низких температур (300 С) – из-за невысокой поверхностной подвижностью адатомов Ga, в области высоких (от 400 С) – из-за высокой реакционной способности капель. Для получения наноструктур на основе капель Ga приемлемых размеров нужной плотности (порядка 1,0(+8) см-2) представляется целесообразным использование двух типов режимов с использование пост-ростовой коррекции размеров на основе ультрамалых потоков As. В случае экспозиции при пониженных температурах необходимо использовать потоки As величиной до 5,0(-7) Па при значительном (более 1 часа) увеличении времени экспозиции капельных структур. При повышенных температурах величина потока As может быть снижена до 1,0(-7) Па и менее. Оба пути перспективны для формирования наноструктур Ga(As)/AlGaAs размером 20 нм, приемлемых для создания устройств оптоэлектроники и нанофотоники на их основе. Экспериментально показано, что одностадийные методики кристаллизации без отжига не позволяют формировать кристаллические структуры. В зависимости от давления As данный тип методик позволяет получать капли меньшего размера, а ткже комплексы «капля+кольцо», «кольцо+ямка» и «кольцо+диффузионный диск», что обусловлено конкуренцией процессов диффузионного распада капельной структуры, кристаллизации в тройной точке и травления подложки. Установлено, что использование одно- и двухстадийных режимов с отжигом до 500°C позволяет обеспечить формирование кристаллических, ограненных наноструктур InAs. При одностадийной кристаллизации с отжигом возможна трансформация капель в кристаллические наноструктуры, размер которых может быть как больше, так и меньше исходного размера капель – в зависимости от параметров процесса кристаллизации. Такие режимы позволяют снизить размер кристаллических структур InAs до 40 нм с перспективой дальнейшего уменьшения за счет оптимизации параметров процесса, однако отличаются большим разбросом характеристик (до 30%). Экспериментально показано, что использование концепции двухстадийной кристаллизации позволяет получать квантовые точки InAs размером 20 – 30 нм с плотностью, задаваемой на этапе формирования капельных наноструктур. Использование малых потоков As (до 5(-7) Па) позволяет реализовать уменьшение размера капель за счет диффузионного распада на первой стадии, а отжиг в больших потоках As выполняет роль фиксатора остаточного размера структуры. При этом разброс геометрических параметров квантовых точек не превышает 5%. Проведены экспериментальные исследования процессов кристаллизации в системе In(As)/Ga(Al)As с многослойным смачивающим слоем. Экспериментально доказано отсутствие вклада релаксации механических напряжений, что обусловлено наличием температурного порога активации химических реакций в данной системе. Экспериментально, с использованием метода РФЭС показано, что незначительный нагрев поверхности в случае In-содержащих систем может активировать процессы массопереноса металлической компоненты без активации химических реакций с атомами As. Экспериментально показана возможность использования кристаллизации многослойного смачивающего 2D-слоя для получения квантовых точек InAs плотностью структур до 5(+8) см-2 и размерами до 25 – 30 нм. Предложены три методики реализации квантовых точек в системе (In,Ga)As/Ga(Al)As пониженной плотности (1(+8) см-2 и менее) и приемлемых с точки зрения приборных применений размеров (менее 30 нм). В основе первой лежит кристаллизация с высокотемпературным отжигом многослойного металлического 2D-слоя, которая позволяет формировать массивы квантовых точек InAs плотностью порядка 5(+8) см-2 и размерами 25 – 30 нм. Существенным недостатком данного подхода является сложность и сильная взаимосвязь протекающих процессов и, как следствие, сложность управления параметрами формируемых наноструктур, а также низкие температуры формирования 2D-слоя. Вторая методика основана на использовании одностадийной кристаллизации капельных структур с высокотемпературным отжигом и позволяет получать низкоплотные квантовые точки InAs размером не более 40 нм. Данная методика имеет потенциал дальнейшего улучшения параметров получаемых квантовых точек за счет дальнейшей оптимизации параметров отжига и кристаллизации. Третий подход основывается на многостадийной кристаллизации с использованием на первой стадии ультрамалых потоков компоненты V группы для пост-коррекции размера капельных структур и последующим высокотемпературным отжигом в большом потоке компоненты V группы. Данный метод позволяет с высокой степенью управляемости формировать квантовые точки размером 20 – 25 нм с высокой воспроизводимостью и низкой дисперсией (5% и менее) геометрических характеристик. Существенным преимуществом данного подхода является то, что все стадии процесса протекают при относительно высоких температурах.