КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-79-10251
НазваниеКапельная эпитаксия А3В5 для квантовых технологий
РуководительСолодовник Максим Сергеевич, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет", Ростовская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2025 |
Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-703 - Перспективные технологические процессы микро- и наноэлектроники
Ключевые словамолекулярно-лучевая эпитаксия, капельная эпитаксия, самоорганизация, квантовые точки, А3В5, локальное капельное травление, фокусированные ионные пучки, наноструктурирование, позиционированные наноструктуры, полупроводники, наноструктуры
Код ГРНТИ47.13.07
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В отличие от традиционных устройств микро- и оптоэлектроники для создания высокоэффективной элементной базы систем квантовых вычислений и коммуникаций необходимы структуры со сложным, точно контролируемым взаимным положением определенного числа квантовых точек во всех измерениях в пределах одной конструктивно-функциональной единицы или блока. Это, а также взаимосвязь функциональных характеристик квантовых точек с их структурными и геометрическими параметрами требует разработки методов и технологических процессов, позволяющих эффективно управлять процессами самоорганизации наноструктур, обеспечивая высокий уровень контроля не только однородности и воспроизводимости параметров, но и формы, размеров, положения и степени обособленности каждого функционально активного элемента в отдельности.
В рамках данной работы предполагается проведение разработки и исследований масштабируемой технологии получения позиционируемых симметричных квантовых точек In(Ga)As/AlGaAs и гетероструктур на их основе, предназначенных, в первую очередь, для создания высокоэффективных источников одиночных и запутанных фотонов – ключевых элементов систем квантовых вычислений и коммуникаций.
Разрабатываемые решения данной задачи должны поддерживать не только реализацию прецизионного управления параметрами квантовых точек In(Ga)As – т.е. обеспечивать возможность воспроизводимого получения высокосимметричных наноструктур заданных размеров с высоким структурным и оптическим качеством в массивах пониженной плотности (1Е+8 см-2 и ниже). Они также должны обеспечивать высокую (не хуже 90%) селективность формирования (позиционирования) наноструктур в заданных точках на поверхности кристалла, низкую (менее 20%) дисперсию характеристик, масштабируемость, совместимость с процессами постростовой обработки и при этом соответствовать всем требованиям к форме, размерам и функциональным свойствам такого рода объектов.
Ожидается, что разработка и исследование комбинированных подходов, основанных на одновременном использовании последних достижений в технологиях капельной эпитаксии и фокусированных ионных пучков, позволят отыскать технологичные решения, удовлетворяющие всем перечисленным выше критериям, которые лягут в основу создания технологии управляемого получения позиционируемых симметричных квантовых точек In(Ga)As/AlGaAs. При этом метод фокусированных ионных пучков обеспечит позиционирование наноразмерных углублений, выступающих в роли центров зарождения и формирования наноструктур, в точках воздействия пучка без необходимости дополнительной химической обработки поверхности, что выгодно отличает данный способ от многостадийных методик формирования топологии, основанных, как правило, на использовании наноимпринт- или электронно-лучевой литографии. В свою очередь, технология капельной эпитаксии обеспечит: селективное устранение нарушенных, дефектных областей в точках воздействия пучка – с помощью методики локального капельного травления материала; селективное формирование высокосимметричных углублений – также с помощью техники капельного травления; селективное формирование симметричных квантовых точек In(Ga)As/AlGaAs в сформированных углублениях – с помощью разработанной нами методики высокотемпературной капельной эпитаксии с двухстадийной кристаллизацией, позволяющей корректировать размер изначальных структур и получать ультранизкоплотные массивы квантовых точек InAs заданного размера.
Ожидаемые результаты
Согласно проведенному анализу литературных данных, а также результатам мониторинга деятельности конкурирующих научных групп, предлагаемый в рамках проекта комплекс исследований будет проведен впервые:
- впервые для создания и позиционирования высокосимметричных углублений будет использован комбинированный подход, основанный на методиках LDE и FIB, и изучено их совместное влияние на морфологию и кристаллическое совершенство модифицированных областей;
- впервые будут изучены особенности протекания основных стадий формирования с помощью капельной эпитаксии квантовых точек In(Ga)As на поверхностях с высокосимметричными углублениями, различающихся формой, размером и типом огранки;
- впервые на подложках GaAs(001) в системе InAs/Ga(Al)As будут получены симметричные позиционируемые квантовые точки, в т.ч. низкоплотные (менее 1E+8 см-2) с высоким структурным и оптическим качеством материала и низкой дисперсией характеристик;
- впервые предлагается исследовать возможность использования обогащения поверхности Ga(Al)As металлической компонентой в качестве резервуара-компенсатора фонового мышьяка и медиатора процессов поверхностного массопереноса;
- впервые предлагается исследовать физико-химические процессы и механизмы нуклеации, роста и кристаллизации, в т.ч. многостадийной, самоорганизующихся наноструктур In(Ga) в условиях обогащения поверхности Ga(Al)As металлической компонентой;
- впервые будет изучена возможность использования разрабатываемых подходов для расширения температурного диапазона технологии капельной эпитаксии в область более высоких значений, повышения стабильности отдельных её этапов, а также получения высокоплотных, в т.ч. локализованных, массивов квантовых точек In(Ga)As при повышенных в терминах капельной эпитаксии температурах;
- будут проведены сравнительные исследования процессов получения позиционируемых квантовых точек, формируемых с использованием механизмов капельной эпитаксии и Странского-Крастанова, и их влияния на функциональные характеристики структур;
- будет разработана масштабируемая технология получения позиционируемых симметричных квантовых точек In(Ga)As/Ga(Al)As, позволяющая в едином технологическом цикле в пределах одного образца формировать структуры и их массивы с различными характеристиками и различных конфигурациях на поверхности, а также проведена оценка перспектив ее использования для создания активных структур интегральной наноэлектроники, нанофотоники и квантовых технологий.
Совокупность полученных результатов позволит не только расширить возможности технологии капельной эпитаксии наноструктур А3В5, но и разработать масштабируемую технологию управляемого получения позиционируемых симметричных квантовых точек In(Ga)As/AlGaAs и наногетероструктур на их основе. Важно отметить, что данная технология будет также востребована практически во всех направлениях физики и технологии полупроводников, где используются квантовые точки А3В5 и требуется их локализация: нанолазеры для интегральной оптоэлектроники, клеточные автоматы на квантовых точках, транзисторные структуры на одиночных и на одномерных цепочках квантовых точек, квантовые регистры, элементы памяти на квантовых точках, наноплазмонные устройства на основе гибридных структур типа «квантовая точка-металлическая частица» и т.п. Кроме того, разрабатываемые в рамках проекта подходы универсальны и легко могут быть расширены на любые системы материалов А3В5: A3As, A3P, A3Sb и A3N.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Установлены экспериментальные закономерности процессов формирования углублений на поверхности GaAs(001) методом LDE с учетом основных управляющих параметров метода, а также исходных параметров ансамбля капельных наноструктур Ga. Показано, что с ростом эквивалентной толщины осаждения Ga с 2 до 5 МС глубина ямок травления возрастает с 1.6 до 5.3 нм, а диаметр с 100 до 150 нм. Увеличение температуры травления с 580°С до 610°С приводит к снижению глубины структур, увеличению их латеральных размеров и уменьшению аспектного отношения. Аналогичный эффект оказывает рост фонового давления в процессе LDE. Увеличение времени выдержки позволяет снизить среднеквадратическое отклонение среднего диаметра углублений до 5%. Результаты экспериментальных исследований позволили выявить оптимальные наборы параметров, режимов и условий техники LDE, обеспечивающих формирование высокосимметричных углублений диаметром порядка 50 нм и глубиной 25 нм.
Установлены экспериментальные закономерности влияния режимов FIB-обработки на морфологию поверхности GaAs(001), а также степень дефектности кристаллической структуры в точках модификации. Показано, что с увеличением дозы с 7.5×10-16 Кл до 1.5×10-12 Кл (числа проходов с 1 до 300) во всех режимах наблюдается возрастание диаметра формируемых структур: с 80 до 290 нм – при энергии пучка 5 кэВ и с 60 до 180 нм – при 30 кэВ. Глубина структур при этом возрастает до 26 нм при энергии ионов 5 кэВ и насыщается на значении 40 нм при увеличении энергии до 30 кэВ. Анализ кристаллической структуры модифицированных областей спектроскопией фотолюминесценции и комбинационного рассеяния света показал ожидаемое ухудшение качества материала в области воздействия пучка, степень которого возрастает с интенсивностью воздействия, вследствие разупорядочивания (аморфизации) кристаллической структуры и насыщения прилегающих областей радиационными дефектами.
Установлены экспериментальные закономерности влияния режимов LDE и FIB на морфологию позиционируемых углублений, их дефектность и кристаллическую структуру. Показано, что трансформация сформированных методом FIB углублений в процессе LDE управляется несколькими, протекающими одновременно и конкурирующими процессами: сегрегацией избыточного Ga и ростом металлической капли; рекристаллизацией аморфизированных и насыщенных дефектами областей; селективным травлением подложки материалом капли. Показано, что в зависимости от режимов LDE, возможно формирование симметричных углублений, ограненных гранями (111) или (111)+(110), или структур типа "тоннели", когда капля глубоко протравливает материал подложки, формируя высоаспектные структуры. Показано, что управляющий поток As существенным образом модулирует характер трансформации углублений в процессе LDE, в то время как длительность отжига – их латеральные размеры и степень остаточной дефектности. На основе локального анализа сформированных методами FIB и LDE массивов углублений методами ФЛ и КРС-спектроскопии показано, что длительный отжиг образцов приводит к полному восстановлению кристаллической структуры в области модификации. На основе совокупности полученных данных определены оптимальные сочетания параметров и условий комбинации методов LDE и FIB, обеспечивающие возможность позиционируемого формирования высокосимметричных углублений диаметром до 375 нм и глубиной до 100 нм.
По результатам экспериментальных исследований процессов нуклеации и роста капельных наноструктур In(Ga)/Ga(Al)As в условиях металл-обогащения поверхности показано, что предосаждение Ga при любых температурах в любом количестве оказывает существенное влияние на последующее формирование капельных наноструктур In. Металл-обогащение поверхности GaAs непосредственно перед осаждением In приводит к увеличению плотности капельных структур In до двух порядков и уменьшению стабильного размера до 40 нм в области высоких температур и до 10 нм – в области низких. Экспериментально показано, что наличие атомов Ga на поверхности GaAs в области температур, недостаточных для эффективной перестройки поверхностной структуры, приводит к усилению их взаимодействия с адатомами In пропорционально доле занимаемой поверхности, сокращая тем самым их диффузионную длину In и приводя к новым равновесным значениям размеров и плотности капельных структур, недостижимым в традиционных методиках капельной эпитаксии.
Результаты DFT-расчётов в программном пакете VASP показали хорошую корреляцию с экспериментальными данными. Показано, что эффективная энергия связи в системе последовательно уменьшается в ряду In/GaAs – In/Ga/GaAs – In/In/GaAs. Это приводит к тому, что на As-терминированных поверхностях адатомы In стремятся сначала связаться с подложкой, образуя смачивающий слой, что также приводит в эксперименте к наличию минимальной критической толщины осаждения в капельной эпитаксии. После завершения смачивающего слоя энергия системы достигает минимума, обеспечивая высокую подвижность адатомов In и большую диффузионную длину, что приводит к образованию капельных структур, наблюдаемых в эксперименте. В случае Ga-терминированных поверхностей, энергия связи больше, чем на In-терминированных, в результате чего подвижность адатомов In снижается, что проявляется в эксперименте в уменьшении размеров капельных наноструктур и росту их плотности.
Публикации
1. Балакирев С.В., Кириченко Д.В., Комаров С.Д., Драгунова А.С., Черненко Н.Е., Шандыба Н.А., Крыжановская Н.В., Жуков А.Е., Солодовник М.С. Влияние давления мышьяка при заращивании квантовых точек InAs тонким низкотемпературным слоем GaAs на их оптические свойства Физика и техника полупроводников, - (год публикации - 2023)