Snelle grootte herconfiguratie van MBE-gegroeide Ga druppels met in-situ UV gepulste laser bestraling

Samenvatting

Een MBE-voorbehandeld Gallium (Ga)-druppel oppervlak op GaAs (001) substraat wordt in situ bestraald door een enkele schot UV gepulste laser. Het toont aan dat laser schieten de grootte van Ga-druppels gemakkelijk kan herstellen en een speciale Ga-druppel met extreme breedte-grootteverdeling met breedte van 16 tot 230 nm en hoogte van 1 tot 42 nm met succes is verkregen. Door de energetische onhomogeniteit over de laser spot, kan de modificatie van druppel als functie van bestralingsintensiteit (IRIT) direct op één monster onderzocht worden en de gecorreleerde mechanismen worden verduidelijkt. Systematisch kan de laser herformering worden waargenomen als: voor laag bestralingsniveau, veroorzaakt laser verwarming alleen expansie van druppels om fusies onder hen te maken, dus in deze fase wordt de druppel grootteverdeling alleen naar de grote kant verschoven; voor hoog bestralingsniveau, veroorzaakt laser bestraling niet alleen thermische expansie maar ook thermische verdamping van Ga atoom wat de grootteverschuiving naar beide kanten laat bewegen. Al deze grootteverschuivingen op Ga-druppels kunnen sterk gecontroleerd worden door het toepassen van verschillende laser IRIT wat een meer ontwerpbare druppel epitaxie in de toekomst mogelijk maakt.

Inleiding

Momenteel met de toenemende ontwikkeling van zowel fundamentele fysica als praktische toepassing, is het van grote eis voor mensen om verschillende apparaten te bereiken. Het is wijd gedemonstreerd dat verschillende apparaten en structuren geconstrueerd kunnen worden door toepassing van metallische nanodeeltjes. Als een belangrijke vertegenwoordiger, heeft druppel epitaxie wat gebaseerd is op metallische druppel (nanodeeltjes) voortdurend wereldwijde onderzoeksinteresses en inspanningen getrokken sinds het voorgesteld werd door Koguchi et al. in 1991 omdat het bijna alle soorten laag-dimensionale nanostructuren kan dekken, inclusief maar niet beperkt tot kwantumdots, kwantumringen en kwantumdraden. Vooral recentelijk, zijn enkele zeer bijzondere structuren van kwantumdot paren, kwantumdot moleculen, dubbele ringen en meervoudige concentrische ringen ook met succes gerealiseerd door druppel epitaxie. Over het algemeen combineert druppel epitaxie meestal twee stappen, nl., pre-vorming van metallische druppel en daaropvolgende kristallisatie. De groottecontrole van druppels tijdens de stap van druppelvorming is een sleutelpunt voor de hele druppel epitaxie aangezien het niet alleen de eindgrootte van kwantumstructuur direct bepaalt, maar ook definieert welk soort nanostructuur de druppels zullen streven om te worden. Bijvoorbeeld, een snelle schakeling tussen kwantumdots en kwantumringen kan gevoelig geactiveerd worden door de druppelgrootte te tunen en de bovengenoemde meervoudige concentrische ringen is exclusief gebouwd op Ga-druppels van aanzienlijke grote grootte. Zoals goed gerapporteerd, is temperatuur de meest essentiële factor voor het aanpassen van de grootte van druppels, om de druppel te vergroten, moet de temperatuur stijgen. Typisch heeft Fuster et al. de temperatuur verhoogd tot zo hoog als 500 °C om met succes een enorme Ga-druppel te verkrijgen met 45 nm in hoogte en 240 nm in breedte. Echter, het verhogen van de temperatuur zal de druppel etching in substraat drastisch verergeren. Door deze soort nano-boor, zullen de elementen van druppels verbruikt worden voordat de daaropvolgende kristallisatie en ook een parasitaire structuur van nano-gat zal zich ontwikkelen onder de druppel wat de doel kwantumstructuur kan vervuilen. Zh. M. Wang et al. heeft bewezen dat de Ga-druppels volledig kunnen verdwijnen en vervangen worden door vulkaan-achtige nano-gaten na alleen aannealing bij 500 °C gedurende 80 s zonder Arsenicum (As) levering. Duidelijk, om de temperatuur te verhogen kan de druppels vernietigen, maar om ze groter te laten groeien dwingt mensen om dat te doen, het is een onverenigbare contradictie in de traditionele druppel epitaxie. Daarom heeft het grote betekenis om een technologie te vinden, met temperatuur-onafhankelijkheid, om de druppelgrootte te modificeren.

In dit artikel werden Ga-druppels, met een oorspronkelijke morfologie van dichtheid: 4,1 × 10¹⁰/cm², breedte: 37–65 nm en hoogte: 4–9 nm, geproduceerd op GaAs (001) substraat (Sub) door MBE en daarna onmiddellijk gebruikten we een UV gepulste laser om in situ de voorbereide oppervlakte te beschieten. Indrukwekkend gedraagt het laser schieten een goede modificatie van de grootte van druppels en het betrokken principe van de herformering vanuit de LIR wordt systematisch gepresenteerd. Na bestraling verbreedden de hoogte en breedte van de druppels tot een bereik van 1–42 nm en 16–230 nm, respectievelijk, nl., we hebben met succes extreme grote druppels bereikt met breedte zo lang als 230 nm en hoogte zo hoog als 42 nm direct bij een zeer lage temperatuur van 180 °C. Dus een technologie voor het herformeren van de druppels met zowel veiligheid als efficiëntie wordt hier gerapporteerd. Dit moet grote vrijheid van groottecontrole bijdragen aan de huidige druppel epitaxie en het meer haalbaar en flexibel maken.

Experimentele Methodes

De experimenten werden uitgevoerd op een speciaal ontworpen MBE uitgerust met de laser viewport om in situ gepulste laserstraal in de kamer te introduceren. Op dit moment installeert dit prototype systeem alleen drie bron cellen van Indium (In), Ga en As. De groeitemperatuur wordt gemonitord door de pyrometer welke gekalibreerd is. Voor het monitoren van de groei, is de reflectie hoge energie elektronen diffractie ook samengesteld. Eerst werd een gedesoxideerd GaAs (001) 2-inch kwart Sub gecoat met een 300 nm GaAs bufferlaag bij 600 °C en de BEP van As₂ is ingesteld als 7,6 × 10⁻⁶ Torr. Vervolgens werd de As klep volledig gesloten en de Sub temperatuur tijdelijk ingesteld op 400 °C om de overmaat As atomen voldoende te laten vangen door de vloeibare stikstof koude val en tegelijkertijd de absorptie van As op het oppervlak te vermijden. Tot de As-omgevingsdruk was gereduceerd tot ongeveer 1,2 × 10⁻⁹ Torr dat bijna hetzelfde is als de beste druk ((9,5 ~ 11) × 10⁻¹⁰ Torr) die verkregen kan worden voor groei om de residuele As₂ te vermijden, werd de Sub temperatuur verder verlaagd tot 180 °C om de druppels respectievelijk te vormen met Ga groeisnelheid van 0,168 ML/s en totale depositiedikte van 4 MLs. Zodra de Ga-druppel groei was voltooid, werd het monster in situ bestraald door slechts een enkele schot van mono-bundel van een frequentie verdrievoudigde neodymium yttrium aluminium granaat laser (golflengte: 355 nm/pulsduur: 10 ns) met een energie van 35 mJ. Na bestraling werd het monster onmiddellijk meegenomen om de oppervlaktemorfologie test te ondergaan door AFM in tikmodus. Omdat de laser spot (6 mm/Diameter) veel kleiner is dan de 1/4 2-inch Sub, kunnen zowel niet-bebestraalde regio (NIR) als bebestraalde regio (IR) samen geplaatst worden om te vergelijken. Voor de IR, vanwege de laser spot een Gauss-achtige geprofilleerde intensiteitsverdeling heeft, kan de morfologie evolutie van de druppel als functie van IRIT allemaal tegelijk op dit monster waargenomen worden. Dus in de volgende discussie, werden vijf representatieve locaties, gedefinieerd als bestraling-1 (IR1) tot bestraling-5 (IR5) in de IRIT volgorde van E_IR1 < E_IR2 < E_IR3 < E_IR4 < E_IR5, geselecteerd uit de IR voor analyse en de exacte posities van hen gerelateerd aan de laser spot zijn gemarkeerd in de bovenste tekening van Fig. 1. Zoals getoond, is de positie van IR5 overeenkomend met het centrum van de laser spot (gemarkeerd als 0-positie), dan lineair gescand naar rechts, na elke beweging van 0,5 mm, werd een AFM afbeelding genomen (overeenkomend met IR4-IR1 in volgorde). Ten slotte, volledig bewogen buiten de spot en de AFM afbeelding gedefinieerd als NIR genomen (nl., de oorspronkelijke morfologie van voorbereide Ga-druppels).

Resultaten en Discussie

Figuur 1a–f presenteren de AFM morfologie resultaten van de druppels in NIR en IR1-IR5, respectievelijk. (g-l) en (m-r) zijn de corresponderende histogrammen van breedte en hoogte verdeling. Aangezien de druppels geproduceerd waren bij temperatuur zo laag als 180 °C, in NIR (Fig. 1a), bereikt de oorspronkelijke dichtheid zo hoog als 4,1 × 10¹⁰/cm² en de breedte en hoogte zijn beide typisch Gauss verdeeld met dominante modus van 45–55 nm en 4–8 nm (respectievelijk getoond in Fig. 1g, m). De maximum en minimum maten corresponderen ~ 65 nm breed/ ~ 9 nm hoog en ~ 37 nm breed/ ~ 4 nm hoog. De druppels in IR1 (Fig. 1b) lijken heel erg op de NIR. Er zijn geen duidelijke veranderingen te onderscheiden in vergelijking van zowel Fig. 1h en (g) of (n) en (m). De druppels in IR1 hebben de dezelfde maximum en minimum maat met de NIR. Terwijl in IR2 (Fig. 1c) en IR3 (Fig. 1d), begint de druppelgrootte te worden gemodificeerd door de laser schieten. Sommige vergrote druppels duiken op het oppervlak op met een reductie van de dichtheid. Vooral voor IR3, hebben de druppels buiten de vroegere maximum breedte (65 nm) gerekend tot een proportie van 55% (Fig. 1j) en corresponderende 37% voor de proportie buiten de vroegere maximum hoogte (Fig. 1p). Tegelijkertijd is de totale dichtheid gedaald tot slechts 1/3 van de oorspronkelijke dichtheid. Over het algemeen, na de laser herformering, is de grootteverdeling van druppels in één van IR2 en IR3 uitsluitend naar de grote kant verschoven, nl., geen druppels aan de kleine kant van de oorspronkelijke verdeling in NIR worden waargenomen. Echter, voor de druppels in IR4 en IR5, verschuiven de verdelingen niet alleen naar de grote kant maar strekken ook uit naar de kleine kant: Fig. 1e, f tonen de resultaten van IR4 en IR5, met voortgesette reductie van de dichtheid, is het duidelijk te zien in Fig. 1k–l en q–r dat de druppel grootteverdelingen verder naar de grote kant verschoven zijn. Vooral in IR5, is de maximum druppel (breedte: 230 nm/hoogte: 42 nm) bijna vier keer groter dan de maximum een (breedte: 65 nm/hoogte: 9 nm) in NIR en zo'n grote maat wordt elders niet gerapporteerd bij zo lage een temperatuur. Naast, worden een paar kleine druppels beneden de oorspronkelijke minimum maat ook gegenereerd en sommigen van hen zijn zelfs ultra-mini alleen met breedte van 16 nm en hoogte van 1 nm. Dus, de evolutie van de laser modificatie van de Ga-druppels met IRIT is volledig waargenomen en het demonstreert goed dat laser schieten de Ga-druppels gemakkelijk kan herformeren.

Om de bovenstaande experimentele data te interpreteren, eerst, zijn vijf partiale gebieden geselecteerd uit NIR en IR1-IR4 vergroot en geïllustreerd in Fig. 2a–e, respectievelijk. Tweedens, hebben we additioneel de equivalente volume (EV) van de Ga-druppels in NIR en IR1-IR5 berekend. In de berekening, wordt het dwarsdoorsnede profiel van Ga druppel benaderd als de modus van sferische kap, dan kan het volume van elke druppel gegeven worden door

$$V =\pi r^{3} \left( {2 - 3\cos\theta + \cos^{3}\theta } \right)/3\sin^{3}\theta$$ (1)

waarbij r de druppel straal en θ de contacthoek zijn, respectievelijk, ten slotte werden de EVs voor NIR en IR1-IR5 geteld door het optellen van het volume van alle druppels in Fig. 1a–f corresponderend. Figuur 2f toont de genormaliseerde EV resultaten (driehoeken) en de genormaliseerde dichtheidsdata (vierkanten) is ook inbegrepen. Dan kan de hele evolutie van laser herformering in drie stadia worden verdeeld: bij de eerste stadia (NIR-IR1): De oorspronkelijke druppels in NIR (Fig. 2a) staan heel dicht bij elkaar en de omgeving van elke druppel is helder en plat (zie de tekening) wat geschetst is in Fig. 2a'. Voor IR1 (waarbij wordt bestraald door een vrij lage intensiteit), in vergelijking met de NIR, zijn de grootteverdeling, dichtheid en EV bijna onveranderd, maar een opkomende structuur van nano-ring wordt waargenomen om de druppels te omringen wat gemarkeerd is door de witte pijlen in Fig. 2b. We schrijven het toe aan de expansie van druppels geïnduceerd door laser-verhitting. Zoals getoond in Fig. 2b', na de bestraling, zal de laser de druppels verwarmen om te expanderen (de bekende thermische expansie). Terwijl de expansie niet sterk genoeg is om coalescentie van de druppels te maken door de beperkte interkruising. Als de warmte gedissipeerd, zullen de druppels terug ontspannen naar de oorspronkelijke evenwichtstoestand maar de sporen van expansie achterlatend wat gevormd is als een ring die de ontspannen druppel omringt (zie de zwarte pijl). Daarom in deze stadia, is de IRIT te zwak om de druppels te herformeren; bij de tweede stadia (IR2-IR3): In Fig. 2c voor IR2, wordt het experimentele bewijs van de druppel coalescentie waargenomen en aangeduid met een gele stippen rechthoek. De gemarkeerde druppel wordt gebuurd door een nano-gat (witte pijl) en is veel groter dan een van NIR met de maat van 70 nm breed en 12 nm hoog. Dit kan worden verklaard door de coalescentie van twee druppels zoals getoond in Fig. 2c': voor A_druppel en B_druppel, met de IRIT toenemend, is de expansie versterkt wat resulteert in meer kruising tussen hen en dan zal de meer inter-kruising waarschijnlijk A_druppel in B_druppel random samenvoegen dus laat een nano-gat vooraf geboord door A_druppel op hetzelfde moment. Terwijl vergeleken met IR2, in Fig. 2d voor IR3, worden coalescentie van drie (zie gele stippen rechthoek/Fig. 2d') of zelfs meer druppels ontdekt wat een meer sterk effect van laser herformering weerspiegelt. Dus, voor IR2 en IR3, kunnen de statistische data van grootteverdeling en dichtheid worden verklaard als een resultaat van de coalescentie. Verder, zoals gezien in Fig. 2f, behouden zowel IR2 als IR3 nog steeds hetzelfde EV niveau met NIR in contrast met de scherpe reductie van dichtheid. Dat betekent dat in deze stadia, de laser-schieten alleen de druppels herformeert door thermische expansie zonder verlies van Ga atomen. Echter, bij de derde stadia van IR4-IR5: het EV van druppels begint scherp te dalen. Het wijst erop dat de LIR niet alleen de druppels zal expanderen maar ook vergezeld gaat met thermische verdamping van Ga atomen. Eenmaal de IRIT overschrijdt tot een bepaalde waarde, kan de gepulste laser de druppel instantaneus verwarmen tot boven de verdampingsdrempel van Ga. Dus de herformering van druppels in deze stadia wordt samen beheerst door coalescentie en verdamping. Figuur 2e' illustreert de wisselwerking: als de coalescentie niet de verlies van Ga door thermische verdamping compenseert, zal de druppelgrootte krimpen (zie de mini druppel gemarkeerd in Fig. 2e) en anders, zal het toenemen. Vooral, kunnen enkele enorme druppels geproduceerd worden (zie de enorme druppel gemarkeerd in Fig. 2e) door coalescentie van multi-druppels onder bepaalde kans. Dan kan dit soort concurrentie goed verklaren waarom de grootteverschuiving van IR4 en IR5 speciaal naar beide kanten verbreedt. Tot nu toe is herformering van de druppels door in-situ gepulste LIR goed onderzocht in de perspectieven van zowel prestatie als principe. Om het werk meer georganiseerd te maken, hebben we in de volgende nog twee ontworpen experimenten uitgevoerd.

Aan de ene kant, volgens het principe van onze uitleg van thermische-expansie geïnduceerde coalescentie, naast de IRIT, is de inter-druppel afstand, nl., de dichtheid van druppel, de andere sleutelparameter. Zoals getoond in Fig. 3a, als we twee druppels scheiden in een groter gat (van d1 tot d2), zou de coalescentie relatief geremd moeten worden voortvloeiend uit de verminderde interkruising tijdens dezelfde thermische expansie. Daarom bereidden we een nieuw druppelmonster bij de temperatuur van 280 °C. Als de temperatuur steeg, daalde de druppeldichtheid van NIR (Fig. 3b) snel tot 5 × 10⁹/cm², bijna 1/8 van het monster bij 180 °C en de interruimte tussen druppels is effectief vergroot. Na bestraling, zoals gezien in Fig. 3c, hebben de druppels nog steeds de gelijke dichtheid als de NIR maar worden omringd door zeer opmerkelijke aangrenzende ringen (zie witte pijlen). Het reflecteert dat de coalescentie inderdaad voorkomen is zelfs met sterke thermische expansie en dus ons uitleg krachtig versterkt.

Aan de andere kant, is het waard om op te merken dat de nano-gaten (Fig. 4a) waargenomen in ons werk zeer ondiep zijn met diepten van sub-nanometer (minder dan drie atomaire lagen)(zie de inset). Dus indrukwekkend, is het booreffect van druppels strikt onderdrukt en kan bijna genegeerd worden wat profiteert van de lage Sub temperatuur. Om het potentiële risico van nano-boor te presenteren als de temperatuur stijgt voor de druppels, fabriceren we een ander monster bij een hoge temperatuur van 350 °C. Na de groei voltooid, daalde de Sub temperatuur niet onmiddellijk maar met een korte onderbreking van slechts 2 min voor snelle afkoeling. Figuur 4b toont het morfologie resultaat, we konden een ernstig booreffect zien wat gebeurd is en het heeft de druppels slecht vernietigd. Enkele druppels (zie pijlen) zijn zelfs volledig geérodeerd en vervangen door nano-gaten met etching diepte van enkele nanometer (zie de inset). In tegenstelling, zoals gesuggereerd in Fig. 4c, kunnen de druppels voorbereid bij 180 °C nog steeds stabiel blijven na een onderbreking zo lang als 15 min.

Conclusies

Concluderend, hebben we een onderzoek gedaan naar MBE in situ schieten op de Ga-druppels bij 180 °C door gepulste laser en gedemonstreerd dat de laser-schieten de grootteverdeling van druppels gemakkelijk en hoog-efficiënt kan aanpassen. De morfologie evolutie van de druppel als functie van IRIT is zorgvuldig bestudeerd en het betrokken mechanisme is ook systematisch verduidelijkt: voor laag bestralingsniveau, wordt de druppel grootteverdeling uitsluitend naar de grote kant verschoven wat kan worden verklaard door het enige effect van druppel-coalescentie geïnduceerd door laser-thermische expansie van de druppels; Terwijl voor hoog bestralingsniveau, zal de grootteverschuiving speciaal naar beide kanten uitstrekken en dit is het resultaat van een soort concurrentie tussen coalescentie en thermische-verdamping. Dus hier hebben we een technologie gerapporteerd door gebruik te maken van gepulste laser-bestraaling om in situ de druppels te herformeren bij zo'n lage temperatuur dat bijna de druppels etching in de Sub kan voorkomen. Blijkbaar is onze technologie compatibel met de algemene druppel epitaxie oplossing prachtig met vrij van verontreiniging, oxidatie en schade. En wat de moeite waard is om te noemen is, door de mono-bundel bestraling te upgraden naar multi-bundel interferentie bestraling, dat we gemakkelijk gepatroniseerde-modificatie van de druppelgrootte kunnen realiseren voor een meer gecontroleerde druppel epitaxie in de toekomst.

Beschikbaarheid van data en materialen

Niet van toepassing.