Ermöglichen Sie eine einfache Neuverteilung von MBE-gewachsenen Ga-Tröpfchen durch In-Situ-Pulslaserschießen

Einführung

Mit der zunehmenden Entwicklung sowohl der grundlegenden Physik als auch der praktischen Anwendung besteht derzeit eine große Anforderung an die Menschen, verschiedene Geräte zu erreichen. Es wurde weithin gezeigt, dass verschiedene Vorrichtungen und Strukturen durch Aufbringen von metallischen Nanopartikeln konstruiert werden können [1,2,3,4,5]. Als wichtiger Vertreter hat die Tröpfchenepitaxie, die auf metallischen Tröpfchen (Nanopartikeln) basiert, seit ihrem Vorschlag von Koguchi et al [6] im Jahr 1991, weil es fast alle Arten von niederdimensionalen Nanostrukturen abdecken kann, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Quantenpunkte [7, 8], Quantenringe [9,10,11] und Quantendrähte [12, 13]. In jüngster Zeit wurden auch einige sehr eigentümliche Strukturen von Quantenpunktpaaren [14, 15], Quantenpunktmolekülen [16, 17], Doppelringen [18] und mehreren konzentrischen Ringen [19, 20] erfolgreich durch Tröpfchenepitaxie realisiert. Im Allgemeinen kombiniert die Tröpfchenepitaxie normalerweise zwei Schritte, d. h. die Vorbildung eines metallischen Tröpfchens und die anschließende Kristallisation [21, 22]. Die Größenkontrolle von Tröpfchen während des Schrittes der Tröpfchenbildung ist ein Schlüsselpunkt für die gesamte Tröpfchenepitaxie, da sie nicht nur die endgültige Größe der Quantenstruktur direkt bestimmt, sondern auch definiert, welche Art von Nanostruktur die Tröpfchen werden sollen. Zum Beispiel kann ein schneller Wechsel zwischen Quantenpunkten und Quantenringen empfindlich durch Abstimmung der Tröpfchengröße ausgelöst werden, und die oben erwähnten mehrfachen konzentrischen Ringe werden ausschließlich auf Ga-Tröpfchen von beträchtlicher Größe aufgebaut. Wie gut berichtet, ist die Temperatur der wichtigste Faktor für die Einstellung der Tröpfchengröße, um das Tröpfchen zu vergrößern, muss die Temperatur erhöht werden [23, 24]. Typischerweise Fuster et al. hat die Temperatur auf bis zu 500 °C erhöht, um erfolgreich ein riesiges Ga-Tröpfchen mit einer Höhe von 45 nm und einer Breite von 240 nm zu erhalten [25]. Eine steigende Temperatur wird jedoch die Tröpfchenätzung in das Substrat drastisch verstärken [26,27,28,29]. Durch diese Art von Nanobohrer werden die Elemente der Tröpfchen vor der anschließenden Kristallisation verbraucht und es entwickelt sich auch eine parasitäre Struktur von Nanolöchern unter dem Tröpfchen, die die Zielquantenstruktur verschmutzen kann. Zh. M. Wang et al. hat bewiesen, dass die Ga-Tröpfchen nur nach 80-sekündigem Tempern bei 500 °C ohne Zufuhr von Arsen (As) vollständig verschwinden und durch vulkanartige Nanolöcher ersetzt werden können [30]. Natürlich kann eine Temperaturerhöhung die Tröpfchen zerstören, aber um sie zu vergrößern, müssen die Menschen dies tun, es ist ein unversöhnlicher Widerspruch in der traditionellen Tröpfchenepitaxie. Daher ist es von großer Bedeutung, eine temperaturunabhängige Technologie zu finden, um die Tröpfchengröße zu modifizieren.

In diesem Artikel Ga-Tröpfchen mit einer ursprünglichen Dichtemorphologie:4,1 × 10 ¹⁰ /cm ² , Breite:37–65 nm und Höhe:4–9 nm, wurden auf einem GaAs (001)-Substrat (Sub) durch MBE hergestellt und dann sofort mit einem UV-gepulsten Laser in situ auf die vorbereitete Oberfläche geschossen. Beeindruckend ist, dass das Laserschießen eine gute Modifikation der Tröpfchengröße und des damit verbundenen Prinzips der Größenänderung vom LIR verhält wird auch systematisch dargestellt. Nach der Bestrahlung verbreitern sich Höhe und Breite der Tröpfchen auf einen Bereich von 1–42 nm bzw. 16–230 nm, dh wir haben erfolgreich extrem große Tröpfchen mit einer Breite von bis zu 230 nm und einer Höhe von bis zu 42 nm . erreicht direkt bei einer sehr niedrigen Temperatur von 180 °C. Daher wird hier über eine Technologie zur Größenänderung der Tröpfchen mit Sicherheit und Effizienz berichtet. Dies muss der aktuellen Tröpfchenepitaxie eine große Freiheit bei der Größenkontrolle verleihen und sie praktikabler und flexibler machen.

Experimentelle Methoden

Die Experimente wurden an einer speziell konstruierten MBE durchgeführt, die mit dem Laser-Viewport ausgestattet war, um einen gepulsten Laserstrahl in situ in die Kammer einzuführen. Gegenwärtig installiert dieses Prototypsystem nur drei Quellenzellen aus Indium (In), Ga und As. Die Wachstumstemperatur wird durch das kalibrierte Pyrometer überwacht. Zur Überwachung des Wachstums ist auch die hochenergetische Reflexionselektronenbeugung enthalten. Zuerst wurde ein desoxidiertes GaAs (001) 2-Zoll-Viertel-Sub mit einer 300 nm GaAs-Pufferschicht bei 600 °C und dem BEP von As₂ . beschichtet ist auf 7,6 × 10 ⁻⁶ . eingestellt Torr. Dann wurde das As-Ventil vollständig geschlossen und die Sub-Temperatur wurde vorübergehend auf 400 °C gesenkt, um zu warten, dass die überschüssigen As-Atome ausreichend von der Flüssigstickstoff-Kühlfalle eingefangen wurden und währenddessen die Absorption von As an der Oberfläche vermieden wurde. Bis der As-Umgebungsdruck auf etwa 1,2 × 10 ^–9 . reduziert wurde Torr, das fast dem besten Druck entspricht ((9.5 ~ 11) × 10 ⁻¹⁰ Torr), die vor dem Wachstum erhalten werden kann, um das restliche As₂ . zu vermeiden wurde die Sub-Temperatur weiter auf 180 °C gesenkt, um die Tröpfchen mit einer Ga-Wachstumsrate von 0,168 ML/s und einer Gesamtabscheidungsdicke von 4 MLs zu bilden. Sobald das Wachstum der Ga-Tröpfchen beendet war, wurde die Probe in situ mit nur einem Einzelstrahl eines frequenzverdreifachten Neodym-Yttrium-Aluminium-Granat-Lasers (Wellenlänge:355 nm/Pulsdauer:10 ns) mit einer Energie von . bestrahlt 35 mJ. Nach der Bestrahlung wurde die Probe sofort herausgenommen, um dem Oberflächenmorphologietest durch AFM im Klopfmodus zu unterzogen. Da der Laserpunkt (6 mm/Durchmesser) viel kleiner ist als der des 1/4-2-Zoll-Sub, können sowohl der nicht bestrahlte Bereich (NIR ) und bestrahlter Bereich (IR ) zum Vergleich zusammengestellt werden. Für die IR , da der Laserspot eine Gauß-ähnliche profilierte Intensitätsverteilung hat, die Morphologieentwicklung des Tröpfchens als Funktion von IRIT kann auf einmal an dieser Probe beobachtet werden. In der folgenden Diskussion werden also fünf repräsentative Orte, definiert als Bestrahlung-1 (IR1 ) bis Bestrahlung-5 (IR5 ) im IRIT Reihenfolge von E _IR1 < E _IR2 < E _IR3 < E _IR4 < E _IR5 , wurden aus dem IR ausgewählt für die Analyse und ihre genauen Positionen in Bezug auf den Laserspot sind in der oberen Zeichnung von Abb. 1 markiert. Wie gezeigt, ist die Position von IR5 entspricht der Mitte des Laserspots (als 0-Position markiert), dann haben wir linear nach rechts gescannt, nach jeder Bewegung von 0,5 mm wurde ein AFM-Bild aufgenommen (entsprechend IR4-IR1 der Reihe nach). Schließlich haben wir uns komplett außerhalb des Spots bewegt und das als NIR definierte AFM-Bild aufgenommen (d. h. die ursprüngliche Morphologie der so hergestellten Ga-Tröpfchen).

AFM-Morphologieergebnisse der Tröpfchen in a NIR und b –f IR1-IR5; die entsprechenden Histogramme der Breiten- bzw. Höhenverteilung in (g und m) NIR und (h −l und n −r ) IR1-IR5; die oberste Zeichnung zeigt die genauen Positionen von NIR und IR1-IR5 bezogen auf den Laserpunkt

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1a–f zeigen die Ergebnisse der AFM-Morphologie der Tröpfchen im NIR und IR1-IR5 , bzw. (g-l) und (m-r) sind die entsprechenden Histogramme der Breiten- und Höhenverteilung. Da die Tröpfchen bei einer Temperatur von nur 180 °C hergestellt wurden, ist im NIR (Abb. 1a) erreicht die Originaldichte bis zu 4,1 ×  10 ¹⁰ /cm ² und die Breite und Höhe sind beide typischerweise gaußförmig verteilt mit einer dominanten Mode von 45–55 nm und 4–8 nm (jeweils in Abb. 1g, m gezeigt). Die maximalen und minimalen Größen entsprechen ~ 65 nm breit/ ~ 9 nm hoch und ~ 37 nm breit/ ~ 4 nm hoch. Die Tröpfchen in IR1 (Abb. 1b) sehen sehr ähnlich aus mit dem NIR . Im Vergleich zu Abb. 1h und (g) oder (n) und (m) können keine deutlichen Änderungen unterschieden werden. Die Tröpfchen in IR1 haben die gleiche maximale und minimale Größe mit dem NIR . Im IR2 (Abb. 1c) und IR3 (Abb. 1d) beginnt sich die Tröpfchengröße durch das Laserschießen zu verändern. Einige vergrößerte Tröpfchen treten an der Oberfläche mit einer Verringerung der Dichte auf. Speziell für IR3 , haben die Tröpfchen jenseits der ehemaligen maximalen Breite (65 nm) einen Anteil von 55 % (Abb. 1j) und entsprechende 37 % für den Anteil jenseits der ehemaligen maximalen Höhe (Abb. 1p) ausgemacht. Gleichzeitig hat sich die Gesamtdichte auf nur noch 1/3 der ursprünglichen Dichte reduziert. Insgesamt ist nach der Lasergrößenänderung die Größenverteilung der Tröpfchen in einem von IR2 und IR3 wird ausschließlich auf die große Seite verschoben, d. h. keine Tröpfchen auf der kleinen Seite der ursprünglichen Verteilung im NIR beobachtet werden. Für die Tröpfchen in IR4 und IR5 , verschieben sich die Verteilungen nicht nur auf die große Seite, sondern erstrecken sich auch auf die kleine Seite:Abb. 1e, f zeigen die Ergebnisse von IR4 und IR5 , bei weiter abnehmender Dichte ist in Abb. 1k–l und q–r deutlich zu erkennen, dass sich die Tröpfchengrößenverteilungen weiter auf die große Seite verschieben. Besonders in IR5 , ist das maximale Tröpfchen (Breite:230 nm/Höhe:42 nm) fast viermal größer als das maximale (Breite:65 nm/Höhe:9 nm) im NIR und eine so große Größe wird bei einer so niedrigen Temperatur nirgendwo anders berichtet. Außerdem werden auch einige kleine Tröpfchen unterhalb der ursprünglichen Mindestgröße erzeugt und einige von ihnen sind sogar nur Ultra-Mini mit einer Breite von 16 nm und einer Höhe von 1 nm. Also, die Entwicklung der Lasermodifikation der Ga-Tröpfchen mit IRIT vollständig beobachtet und es zeigt gut, dass das Laserschießen die Größe der Ga-Tröpfchen leicht ändern kann.

Um die obigen experimentellen Daten zu interpretieren, werden zunächst fünf Teilbereiche ausgewählt aus NIR und IR1-IR4 sind jeweils vergrößert und in den Abb. 2a–e dargestellt. Zweitens haben wir zusätzlich das äquivalente Volumen berechnet (EV ) der Ga-Tröpfchen im NIR und IR1-IR5 . Bei der Berechnung wird das Querschnittsprofil des Ga-Tröpfchens näherungsweise als die Form der Kugelkalotte angenommen [26], dann kann das Volumen jedes Tröpfchens durch

wo r der Tröpfchenradius und θ der Kontaktwinkel bzw. die EVs für NIR und IR1-IR5 wurden gezählt, indem das Volumen aller Tröpfchen in Abb. 1a–f entsprechend aufsummiert wurde. Abbildung 2f zeigt den normalisierten EV Ergebnisse (Dreiecke) und die normalisierten Dichtedaten (Quadrate) sind ebenfalls enthalten. Dann könnte die gesamte Entwicklung der Lasergrößenänderung in drei Phasen unterteilt werden:in der ersten Phase (NIR-IR1 ):Die ursprünglichen Tröpfchen in NIR (Abb. 2a) stehen sehr nahe zwischen den Ständern und die Umgebung jedes Tröpfchens ist klar und flach (siehe Zeichnung), was in Abb. 2a′ skizziert ist. Für IR1 (wobei mit einer recht geringen Intensität bestrahlt wird), im Vergleich zum NIR , die Größenverteilung, Dichte und EV sind fast unverändert, aber es wird beobachtet, dass eine entstehende Nanoringstruktur die Tröpfchen umgibt, die in Abb. 2b durch die weißen Pfeile markiert ist. Wir führen es auf die Ausdehnung von Tröpfchen durch Lasererwärmung zurück. Wie in Abb. 2b′ gezeigt, erwärmt der Laser nach der Bestrahlung die Tröpfchen, um sich auszudehnen (die wohlbekannte Wärmeausdehnung). Wohingegen die Expansion aufgrund des begrenzten Intercross nicht stark genug ist, um eine Koaleszenz der Tröpfchen zu bewirken. Wenn die Wärme abgeführt wird, entspannen sich die Tröpfchen zurück in den ursprünglichen Gleichgewichtszustand, hinterlassen jedoch die Expansionsspuren, die als Ring geformt sind, der das entspannte Tröpfchen umgibt (siehe schwarzer Pfeil). Daher ist in dieser Phase der IRIT ist zu schwach, um die Tröpfchengröße zu ändern; auf der zweiten Stufe (IR2-IR3 ):In Abb. 2c für IR2 , wird der experimentelle Nachweis der Tröpfchenkoaleszenz beobachtet und mit einem gelb gepunkteten Rechteck hervorgehoben. Das markierte Tröpfchen grenzt an ein Nanoloch (weißer Pfeil) und ist viel größer als jedes NIR mit der Größe von 70 nm breit und 12 nm hoch. Dies kann durch die Koaleszenz zweier Tröpfchen erklärt werden, wie in Abb. 2c′ gezeigt:für A_Tröpfchen und B_Tröpfchen , mit dem IRIT zunehmend, die Expansion wird verstärkt, was zu mehr Cross-Over zwischen ihnen führt und dann wird das stärkere Inter-Cross wahrscheinlich ein _Tropfen schieben Zusammenführen in B_Tropfen hinterlässt also zufällig ein Nanoloch, das von einem _Tropfen . vorgebohrt wurde zur selben Zeit. Im Vergleich zu IR2 , in Abb. 2d für IR3 , Koaleszenz von drei (siehe gelb gepunktetes Rechteck/Abb. 2d′) oder noch mehr Tröpfchen werden entdeckt, was einen stärkeren Effekt der Lasergrößenänderung widerspiegelt. Daher für IR2 und IR3 , konnten die statistischen Daten der Größenverteilung und Dichte durch die Koaleszenz erklärt werden. Außerdem sind, wie in Abb. 2f zu sehen, beide von IR2 und IR3 behalte immer noch den gleichen EV Level mit NIR im Gegensatz zu der starken Verringerung der Dichte. Das bedeutet, dass das Laserschießen in diesem Stadium die Tröpfchen nur durch thermische Expansion ohne Verlust von Ga-Atomen verändert. In der dritten Stufe von IR4-IR5 :das EV der Tröpfchen beginnt stark abzunehmen. Es zeigt an, dass die LIR wird nicht nur die Tröpfchen ausdehnen, sondern auch mit der thermischen Verdampfung von Ga-Atomen einhergehen. Sobald der IRIT einen bestimmten Wert überschreitet, kann der gepulste Laser das Tröpfchen augenblicklich über die Verdampfungsschwelle von Ga erhitzen. Die Größenänderung der Tröpfchen in dieser Stufe wird also durch Koaleszenz und Verdampfung mitbestimmt. Abbildung 2e′ veranschaulicht das Zusammenspiel:Wenn die Koaleszenz den Verlust von Ga durch thermische Verdampfung nicht ausgleicht, wird die Tröpfchengröße schrumpfen (siehe das in Abb. 2e markierte Minitröpfchen) und andernfalls nimmt sie zu. Insbesondere können einige große Tröpfchen (siehe das große Tröpfchen, das in Abb. 2e markiert ist) durch das Zusammenwachsen mehrerer Tröpfchen mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit erzeugt werden. Dann kann diese Art von Wettbewerb gut erklären, warum die Größenverschiebung von IR4 und IR5 nach beiden Seiten besonders verbreitert. Bisher die Größenänderung der Tröpfchen durch in-situ gepulste LIR wurde sowohl im Hinblick auf die Leistung als auch auf das Prinzip gut untersucht. Um die Arbeit übersichtlicher zu gestalten, haben wir im Folgenden noch zwei geplante Experimente durchgeführt.

Vergrößerungen der AFM-Morphologie resultieren jeweils bezüglich a NIR und b –e IR1-IR4 und die entsprechenden Zeichnungen der Morphologiedynamik für (a ′) NIR und (b ′–e ) IR1-IR4 Für eine bequeme Diskussion werden Tröpfchen mit der typischen Morphologieeigenschaft jeder Vergrößerung sorgfältig ausgewählt und durch gelb gepunktete Rechtecke markiert; f Ergebnisse der normierten Dichte und des äquivalenten Volumens der Tröpfchen in Abb. 1a/NIR , Abb. 1b/IR1 , Abb. 1c/IR2 , Abb. 1d/IR3 , Abb. 1e/IR4 und Abb. 1f/IR5

Einerseits ist nach dem Prinzip unserer Erklärung der durch Wärmeausdehnung induzierten Koaleszenz neben dem IRIT , der Abstand zwischen den Tröpfchen, d. h. die Dichte des Tröpfchens, ist der andere Schlüsselparameter. Wie in Abb. 3a gezeigt, sollte die Koaleszenz aufgrund des verringerten Kreuzes während derselben Wärmeausdehnung relativ gehemmt werden, wenn wir zwei Tröpfchen in einem größeren Spalt (von d1 bis d2) trennen. Daher haben wir eine neue Tröpfchenprobe bei einer Temperatur von 280 °C hergestellt. Mit steigender Temperatur stieg die Tröpfchendichte von NIR (Abb. 3b) nimmt schnell auf 5 × 10 ⁹ . ab /cm ² , fast 1/8 der Probe bei 180 °C und der Zwischenraum zwischen den Tröpfchen wurde effektiv verstärkt. Nach der Bestrahlung haben die Tröpfchen, wie in Abb. 3c zu sehen, immer noch die gleiche Dichte wie das NIR . aber von sehr bemerkenswerten benachbarten Ringen umgeben sind (siehe weiße Pfeile). Es spiegelt wider, dass die Koaleszenz auch bei starker thermischer Ausdehnung tatsächlich verhindert wird und verfestigt damit unsere Erklärung weiter mächtig.

a Grafische Darstellung des Einflusses des Abstands auf die Koaleszenz zwischen zwei Tröpfchen; AFM-Morphologieergebnisse der bei 280 °C gewachsenen Tröpfchen b vor und c nach der Bestrahlung

Andererseits ist es erwähnenswert, dass die in unserer Arbeit beobachteten Nanolöcher (Abb. 4a) sehr flach sind und Tiefen im Sub-Nanometerbereich (weniger als drei Atomschichten) aufweisen (siehe Einschub). Beeindruckend ist, dass der Bohreffekt von Tröpfchen strikt unterdrückt wird und fast vernachlässigt werden kann, was von der niedrigen Sub-Temperatur profitiert. Um das potenzielle Risiko eines Nanobohrens bei steigender Temperatur der Tröpfchen darzustellen, haben wir eine weitere Probe bei einer hohen Temperatur von 350 °C hergestellt. Nachdem das Wachstum beendet war, nahm die Sub-Temperatur nicht sofort ab, sondern mit einer kurzen Unterbrechung von nur 2 Minuten, bevor sie schnell abkühlte. Abbildung 4b zeigt das Morphologieergebnis. Wir konnten sehen, dass ein ernsthafter Bohreffekt aufgetreten ist und die Tröpfchen stark zerstört wurden. Und einige Tröpfchen (siehe Pfeile) werden sogar komplett abgetragen und durch Nanolöcher mit mehreren Nanometern Ätztiefe ersetzt (siehe Einschub). Im Gegenteil, wie in Abb. 4c angedeutet, können die bei 180 °C hergestellten Tröpfchen nach einer Unterbrechung von 15 Minuten noch stabil bleiben.

AFM-Morphologieergebnisse der Tröpfchen in a IR3 , b die Tröpfchen wuchsen bei 350 °C, gefolgt von einer Temperung von 2 Minuten bei der gleichen Temperatur und c die Tröpfchen wuchsen bei 180 °C, gefolgt von einer Temperung von 15 Minuten bei der gleichen Temperatur

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir eine Untersuchung zum MBE-in-situ-Schießen auf Ga-Tröpfchen bei 180 °C durch gepulsten Laser durchgeführt und gezeigt, dass das Laserschießen die Größenverteilung von Tröpfchen einfach und hocheffizient einstellen kann. Die Morphologieentwicklung des Tröpfchens als Funktion von IRIT wird sorgfältig untersucht und der beteiligte Mechanismus wird auch systematisch aufgeklärt:Bei niedriger Bestrahlungsstärke wird die Tröpfchengrößenverteilung ausschließlich zur großen Seite verschoben, was durch den einzigen Effekt der Tröpfchenkoaleszenz durch die laserthermische Expansion der Tröpfchen erklärt werden kann; Bei hoher Bestrahlungsstärke erstreckt sich die Größenverschiebung jedoch speziell auf beide Seiten und dies resultiert aus einer Art Konkurrenz zwischen Koaleszenz und thermischer Verdampfung. Wir haben hier also über eine Technologie berichtet, bei der gepulste Laserbestrahlung verwendet wird, um die Tröpfchengröße in situ bei einer so niedrigen Temperatur zu ändern, die das Ätzen der Tröpfchen in das Sub nahezu verhindern kann. Anscheinend ist unsere Technologie mit der üblichen Tröpfchen-Epitaxie-Lösung wunderbar kompatibel, ohne Verschmutzung, Oxidation und Beschädigung. Erwähnenswert ist, dass wir durch die Aufrüstung der Einstrahlbestrahlung in eine Mehrstrahl-Interferenzbestrahlung leicht eine gemusterte Modifikation der Tröpfchengröße für eine kontrolliertere Tröpfchenepitaxie in der Zukunft realisieren können.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Nicht zutreffend.