Аннотация результатов, полученных в 2021 году
По итогам выполнения 1 года проекта получен ряд научно-значимых результатов по исследованию процессов формирования локализованных наноструктур A3B5 методом капельной эпитаксии. Проведен дополнительный анализ информационных источников по проблематике проекта, который подтвердил актуальность исследований процессов формирования селективно-позиционированных квантовых точек InAs/AlGaAs, в том числе с использованием метода фокусированных ионных пучков (ФИП), однако также показал необходимость применения методик снижения дефектности слоев, подверженных влиянию ФИП-обработки. Разработана оптимизированная математическая модель для исследования процессов формирования массивов нанокапель In на модифицированных подложках с учетом влияния доли Al в эпитаксиальном слое. Введены факторы, позволяющие учесть распределение атомов алюминия в поверхностных слоях с различной кристаллографической ориентацией. Реализована возможность расширения площади моделируемой поверхности для теоретического описания процессов формирования массивов нанокапель с ультранизкой поверхностной плотностью. Выявлены теоретические закономерности процессов формирования нанокапель In на поверхности GaAs, модифицированной массивом углублений с различными геометрическими параметрами. Обнаружены оптимальные технологические режимы, при которых достигается наилучшая селективность формирования нанокапель с исключением нуклеации за пределами центров углублений, имитирующих области поверхности, модифицированные фокусированными ионными пучками с последующим восстановлением кристаллической структуры граней. Подготовлены экспериментальные образцы подложек GaAs, модифицированных массивами углублений с использованием метода ФИП с различными параметрами ионного пучка с формированием областей модификации квадратной формы со сторонами 5×5 μm, расположенными на расстоянии 1.0 μm друг от друга, а также на дополнительных этапах подверженные последующему воздействию жидкостного травления в соляной кислоте и отжигу в установке для молекулярно-лучевой эпитаксии. Получены результаты СЗМ-исследований геометрических параметров углублений, сформированных методом ФИП. В частности, установлено, что увеличение числа проходов пучка, характеризующих дозу имплантации ионов галлия в подложку, от 5 до 300 проходов при ускоряющем напряжении 30 кВ приводит к увеличению глубины формируемых областей в 4.7 раза при практически неизменном диаметре. АСМ-исследования ФИП-модифицированных образцов, подверженных последующему жидкостному травлению в соляной кислоте, показали, что глубина и диаметр сформированных углублений изменяются после травления незначительно, однако в некоторых случаях могут не только увеличиваться, но и уменьшаться, что объясняется влиянием переосаждения или преимущественного стравливания плоских участков поверхности. По результатам АСМ- и РЭМ-исследований образцов с ФИП-модифицированными областями, подверженными последующему отжигу в установке молекулярно-лучевой эпитаксии, обнаружено, что отжиг приводит к значительной рекристаллизации модифицированных участков поверхности с увеличением как глубины, так и диаметра образующихся углублений. Показано, что как диаметр, так и глубина области, модифицированной методом ФИП при ускоряющем напряжении 10 кВ и 300 проходах ионного пучка, увеличивается в результате отжига почти в 2 раза. Обработка результатов проведенных исследований позволяет сделать вывод о том, что селективное химическое травление в соляной кислоте не приводит к полному удалению аморфизированных и дефектных областей, в то время как отжиг ФИП-модифицированных поверхностей позволяет добиться рекристаллизации материала в точках модификации и получить пирамидальные углубления с правильной огранкой.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
По итогам выполнения 2 года проекта получен ряд научно-значимых результатов по исследованию процессов формирования локализованных наноструктур A3B5 методом капельной эпитаксии. Выявлены теоретические закономерности влияния доли атомов Al в структурированном эпитаксиальном слое AlGaAs на геометрические параметры нанокапель In и, как следствие, на параметры квантовых точек InAs, создаваемых на их основе. Определены технологические режимы, при которых достигается 100%-ная локализация капель в углублениях, расположенных на расстояниях от 250 до 500 нм друг от друга, на поверхностях AlGaAs с различной долей Al в диапазоне от 0 до 0.85. Выявлены экспериментальные закономерности формирования наноструктур In(As) на поверхностях AlGaAs, модифицированных методом ФИП с последующим заращиванием буферными эпитаксиальными слоями. Установлено, что формирование гладкой поверхности за пределами точек воздействия ФИП и трансляция исходной модификации подложки в виде массивов углублений обеспечивается с помощью комбинированного буферного слоя низкотемпературного GaAs толщиной 20 нм и высокотемпературного AlGaAs толщиной 10 нм. Обнаружено, что на модифицированных поверхностях наноструктуры локализуются преимущественно в наиболее глубоких углублениях, являющихся центрами предпочтительного зарождения островков. Выявлено, что при малом расстоянии между точками воздействия ФИП значительно проявляются эффекты переосаждения материала, в связи с чем при увеличении расстояния между углублениями увеличивается их диаметр, что приводит к множественной нуклеации наноструктур – от 1 до 6 наноструктур в одном углублении. При увеличении расстояния между углублениями до 1000 нм для 300 проходов ФИП достигается 100%-ная локализация наноструктур несмотря на то, что среднее расстояние между наноструктурами на плоской поверхности превышает расстояние между углублениями в 2 раза. Выявлены экспериментальные закономерности влияния доли Al в структурированном эпитаксиальном слое AlGaAs на геометрические параметры наноструктур In(As). Установлено, что увеличение доли Al в эпитаксиальном слое приводит к снижению поверхностной плотности капель, а также изменению закономерностей заращивания углублений, сформированных на этапе ФИП-травления. В частности, при 40 проходах ионного пучка на поверхности Al0.5Ga0.5As происходит практически полное заращивание углублений, расположенных на различных расстояниях в диапазоне от 250 до 1000 нм, в то время как на поверхности Al0.15Ga0.85As полное заращивание происходит только для доли углублений, расположенных на расстоянии 250 нм друг от друга, и отсутствует для углублений, расположенных на расстоянии 500 и 1000 нм. Установлено, что при снижении доли Al в структурированном поверхностном слое приводит к значительному увеличению поверхностной плотности наноструктур для различных расстояний между углублениями, что связано с различием в исходной плотности углублений, формирующихся на поверхностях AlGaAs с различной долей Al. Получены результаты исследования морфологии поверхности после структурирования подложки, заращивания буферными слоями и последующего формирования наноструктур In(As) методами АСМ и РЭМ. Установлено, что поверхности, подверженные воздействию ФИП, требуют специальных процедур, необходимых для полного удаления естественного поверхностного окисла, в частности, увеличения температуры отжига подложки в потоке мышьяка после сгона окисла с 590°C до 610°C, что позволяет значительно снизить шероховатость поверхности за пределами точек воздействия ФИП и между ними. Измерена среднеквадратичная шероховатость свободных участков поверхностей с различной долей Al после осаждения индия при температурах 200°C и 300°C, значения которой не превышают 0.42 нм. Проведено сравнение экспериментальных и теоретических закономерностей формирования наноструктур In(As) на структурированных поверхностях AlGaAs. Установлено, что при температуре осаждения 300°C на участке поверхности GaAs с углублениями, расположенными на расстоянии 500 нм друг от друга достигается 100%-ная локализация капельных наноструктур In(As) как в эксперименте, так и при моделировании. Однако снижение температуры осаждения до 200°C, согласно результатам моделирования, приводит к увеличению интенсивности зарождения островков с сопутствующим появлением дополнительных наноструктур за пределами центров углублений. Экспериментальным и теоретическим путем выявлено, что расположение одиночных углублений на расстоянии 250 нм друг от друга не позволяет добиться распределения осаждаемого материала между всеми углублениями при температуре 300°С на поверхностях AlGaAs с долей Al в диапазоне от 0.15 до 0.85. Достичь 100%-ной локализации наноструктур в углублениях, расположенных на расстоянии 250 нм как в эксперименте для поверхности Al0.5Ga0.5As, так и в моделировании для поверхностей Al0.5Ga0.5As и Al0.15Ga0.85As позволяет снижение температуры осаждения капель до 200°С. Сделан вывод о хорошей корреляции результатов моделирования с экспериментальными данными и возможности его использования для прогнозирования геометрических параметров наноструктур In(As), формирующихся на структурированных поверхностях AlGaAs различного состава.