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 15-19-10006

НазваниеЭпитаксиальные гетероструктуры с регулярными массивами самоорганизующихся наноструктур А3В5

РуководительАгеев Олег Алексеевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет", Ростовская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2015 г. - 2017 г.  , продлен на 2018 - 2019. Карточка проекта продления (ссылка)

Конкурс№7 - Конкурс 2015 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований с привлечением молодых исследователей».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-703 - Перспективные технологические процессы микро- и наноэлектроники

Ключевые словамолекулярно-лучевая эпитаксия, квантовые точки, нанокластеры, AlInGaAs, гетероструктуры, самоорганизация, локальное анодное окисление, фокусированные ионные пучки, нанопрофилирование

Код ГРНТИ47.13.07


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Будут проведены исследования, направленные на получение новых знаний о закономерностях влияния режимов наноразмерного профилирования ростовых поверхностей гетероструктур A3B5 методами локального анодного окисления и фокусированных ионных пучков, а также управляющих параметров метода молекулярно-лучевой эпитаксии на процессы формирования регулярных массивов самоорганизующихся наноструктур A3B5 (квантовых точек и нанокластеров в системе AlInGaAs) с прецизионным позиционированием и сниженной дисперсией характеристик элементов, ориентированные на последующее практическое применение при создании прототипов новой элементной базы на основе квантовых эффектов, одноэлектроники, спинтроники и фотоники перспективных устройств вычислительной техники и коммуникационных систем. Актуальность указанной проблемы обусловлена тем, что переход к созданию устройств на основе полупроводниковых самоорганизующихся наноструктур (квантовых ям, квантовых точек, квантовых нитей и др.) предъявляет все более жесткие требования к их функциональным характеристиками (энергетический спектр, ширина спектра оптического излучения и др.). В связи с тем, что функциональные характеристики наногетероструктур определяются их геометрическими параметрами (размером, плотностью, взаимным расположением в массиве) и однородностью, возникает необходимость разработки технологических процессов управляемого синтеза массива самоорганизующихся наноструктур, позволяющих осуществлять прецизионное позиционирование с контролем геометрических размеров отдельных элементов и их однородностью в массиве. Это, в свою очередь, позволяет не только существенным образом снизить дисперсию критически важных с точки зрения приборного применения характеристик, но и осуществлять эффективное управление свойствами наноструктур. Особенно это актуально для приборов, использующих в качестве активных элементов такие типы самоорганизующихся наноструктур, как квантовые точки, нанокластеры и квантовые нити (нитевидные нанокристаллы), лежащих в основе новой элементной базы для перспективных устройств вычислительной техники и коммуникационных систем. Одним из наиболее перспективных и интенсивно развивающихся направлений решения указанной проблемы является использование для эпитаксиального синтеза самоорганизующихся наноструктур целенаправленно структурированных (нанопрофилированных) различным образом поверхностей, что в сочетании с применением современных ростовых технологий существенным образом расширяет возможности управления процессами самоорганизации, позволяя повысить однородность характеристик наноструктур и локализовать их образование в заданных точках поверхности. Научная значимость решения проблемы заключается в изучении (как теоретически, так и экспериментально) процессов самоорганизации на профилированных поверхностях, а также закономерностей взаимного влияния режимов эпитаксии, характеристик профилированной поверхности и режимов ее модификации в системе материалов AlInGaAs.

Ожидаемые результаты
Основные ожидаемые результаты выполнения проекта: 1. математическая модель процессов самоорганизации наноструктур (In,Ga)As (нанокластеров Ga и In и квантовых точек (In,Ga)As) методом капельной МЛЭ с учетом процессов адсорбции/десорбции и поверхностной диффузии, размерных эффектов и морфологии ростовой поверхности; 2. новые термодинамические закономерности процессов межфазного взаимодействия в системах (In,Ga)As-О2-H2O (на этапе формирования ОНС методом ЛАО) и (In,Ga)-As-О (взаимодействие «окисел-подложка» и «окисел-ростовая компонента» на этапе удаления окисла и ОНС (In,Ga)As в методе МЛЭ) с учетом нелинейных температурных зависимостей теплофизических свойств соединений и режимов, реализуемых в методах ЛАО и МЛЭ. Это позволит изучить теоретические закономерности фазообразования на поверхности эпитаксиальных пленок (In,Ga)As и химические реакции, протекающие при проведении ЛАО и удалении окисла в условиях МЛЭ. Полученные результаты, в свою очередь, позволят оптимизировать режимы удаления окисла в условиях МЛЭ с целью минимизации влияния данной процедуры на морфологию ростовой поверхности, от чего критическим образом зависит дальнейшие локализация эпитаксиального роста и селективность процессов самоорганизации; 3. новые экспериментальные результаты систематических исследований процессов ЛАО поверхности эпитаксиальных слоев (In,Ga)As различного состава с учетом оснонвых управляющих параметров процесса с последующим изучением морфологии ростовой поверхности методами АСМ и построением соответствующих зависимостей. Как следует из литературных данных, исследования такого рода будут проведены впервые; 4. новые экспериментальные результаты исследований методами РФЭС фазового состава поверхностных окислов и модифицированных поверхностей эпитаксиальных слоев (In,Ga)As различного состава с высоким пространственным и энергетическим разрешением; 5. новые результаты экспериментальных исследований процессов профилирования поверхностей эпитаксиальных слоев (Al,In,Ga)As методиками на базе ФИП с учетом управляющих параметров процесса. 6. новые результаты комплексных экспериментальных исследований процессов предростовой обработки профилированных методами ЛАО и ФИП ростовых поверхностей – будут проведены комплексные исследования по влиянию используемых в МЛЭ методик (и реализуемых в них режимов) восстановления поверхности – стимулированное удаление окисла, отжиг в потоке As, рост буферных слоев – на эволюцию морфологии модифицированной поверхности; 7. новые результаты комплексных экспериментальных исследований процессов самоорганизации наноструктур (Ga,In)As (нанокластеров Ga и In и квантовых точек (In,Ga)As) нанопрофилированных поверхностях слоев (Al,In,Ga)As различного состава – будут получены закономерности, устанавливающие связь между параметрами процесса МЛЭ, морфологией, составом поверхности и функциональными характеристиками получаемых квантовых точек. Кроме того, будет получена информация о влиянии методов обработки и предростовой подготовки поверхности на функциональные характеристики квантовых точек; 8. новые результаты комплексных экспериментальных исследований режимов формирования регулярных массивов самоорганизующихся наноструктур (In,Ga)As на поверхностях (Al,In,Ga)As, с использованием электронно-лучевой литографии и плазмохимического травления. Полученные результаты могут быть использованы при разработке промышленной технологии получения гетеронаноструктур А3В5 с регулярными массивами самоорганизующихся наноструктур. Полученные в ходе решения данной задачи экспериментальные и теоретические результаты предназначены для использования при разработке технологических процессов серийного производства наногетероструктур А3В5 с массивами упорядоченных самоорганизующихся наноструктур (нанокластеров (In,Ga) и квантовых точек (In,Ga)As) с высокой регулярностью и однородностью геометрических параметров и возможностью их локализации с наноразмерной точностью для изготовления прототипов новой элементной базы нано- и одноэлектроники, спинтроники и фотоники для перспективных устройств вычислительной техники и коммуникационных систем.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2015 году
Проведен аналитический обзор по основным проблемам получения регулярных массивов самоорганизующихся наноструктур (как кластеров, так и квантовых точек) на основе полупроводниковых соединений А3В5 с использованием современных эпитаксиальных методик. Приведена классификация современных технологических приемов и подходов, направленных на решение проблемы управляемого синтеза самоорганизующихся кванторазмерных систем, в том числе, на основе арсенидов III группы. Выявлены фундаментальные ограничивающие факторы методик, в основе которых лежит классический механизм формирования квантовых точек – Странского-Крастанова. Описано современное состояние методики капельной эпитаксии в технологиях молекулярно-лучевой и металлорганической газофазной эпитаксии, выявлены основные достоинства и недостатки метода. Проанализированы наиболее распространенные используемые режимы капельной эпитаксии и их влияние на количественные характеристики получаемых структур. Проведен обзор основных особенностей наноразмерного структурирования ростовых поверхностей эпитаксиальных слоев А3В5. Проведен анализ и классификация основных методов восстановления и предростовой обработки поверхности, реализуемых в технологии МЛЭ. Выработаны требования к экспериментальным образцам и рекомендации по экспериментальным исследованиям процессов профилирования и самоорганизации наноструктур А3В5. Проведен анализ методик и выбора материалов резистивных и маскирующих слоев для электронно-лучевой литографии и плазмохимической обработки эпитаксиальных гетероструктур А3В5. Проведен обзор особенностей плазмохимической обработки эпитаксиальных гетероструктур А3В5. Установлено значительное влияние режимов плазмохимической обработки поверхности GaAs на состав приповерхностного слоя и морфологию, а также на воспроизводимость литорафического рисунка. Проведен обзор и классификация резистов для электронно-лучевой литографии, на основе которых выработаны рекомендации по выбору марок резистов и их использованию в технологии арсенидов с учетом специфики проекта. Даны рекомендации, направленные на реализацию воспроизводимой технологии наноразмерного профилирования полупроводников A3B5 на основе комбинации методом плазмохимической обработки и электронно-лучевой литографии. Проведены теоретические исследования термодинамических закономерностей процессов межфазного взаимодействия в системе (In,Ga)As-О2-H2O на этапе формирования оксидных наноразмерных структур с учетом нелинейных температурных зависимостей теплофизических свойств соединений. Показано, что в случае сухого окисления в избытке кислорода равновесная система состоит преимущественно из (In,Ga)AsO4, оксидов мышьяка (As2O3 и As2O5) и элементарного мышьяка As в аморфной форме. В зависимости от соотношения фаз, при наличии свободного GaAs или Ga в соединении InAsO4 наблюдается тенденция к замещению In на Ga и формированию более устойчивой фазы GaAsO4. Установлено, что при стимулированном окислении во влажной среде в широком диапазоне изменений концентраций гидроксид-ионов наиболее вероятно образование оксидов металлов (Ga2O3 и In2O3) и трёхвалетного мышьяка As2O3. Оксиды мышьяка в присутствии элементов III группы (в свободном или связанном с мышьяком состоянии) распадаются с образованием оксидов металлов и аморфного мышьяка. Показано, что In2O3 менее устойчив в сравнении с Ga2O3 и в присутствии Ga в свободной форме или в форме GaAs участвует в реакциях замещения с образованием Ga2O3 и InAs. Показана возможность формирования (In,Ga)AsO4 при избытке гидроксид-ионов. Проведены теоретические исследования термодинамических закономерностей процессов межфазного взаимодействия в системе (In,Ga)-As-О на этапе удаления окисла и оксидных наноразмерных структур (In,Ga)As с учетом нелинейных температурных зависимостей теплофизических свойств соединений и режимов, реализуемых в методе МЛЭ. Показано, что входящие в состав собственного окисла (In,Ga)As оксиды As2O5 и As2O3 в процессе нагрева могут как разлагаться с образованием летучих AsO и O2, так и участвовать в твердофазных реакциях с подложкой (In,Ga)As с образованием оксидов металлов и As2. Оксиды металлов ((In,Ga)2O3) при нагреве начинают реагировать с материалом подложки с образованием летучих продуктов реакций: Ga2O, In2O, AsO и As2. Показано, что реакции с выделением молекулярного мышьяка более предпочтительны, однако с повышением температуры поверхности возрастает вклад реакций с образованием AsO и начинают доминировать реакции прямого разложения оксидов мышьяка. Взаимодействие As2O3 и As2O5 с металлами из паровой фазы (ростовыми компонентами) может протекать по реакциям как с прямым образованием летучих продуктов ((In,Ga)2O и AsO/As2), так и с образованием промежуточных оксидных форм металлов и мышьяка. Реакции (In,Ga)2O3 с Ga/In из паровой фазы протекают в широком диапазоне температур с образованием летучих оксидов (In,Ga)2O. Установлена тенденция In-содержащих соединений участвовать в реакциях замещения в присутствии свободного Ga. Определены основные уравнения реакций компонент окисла (In,Ga)As с молекулярным мышьяком. Показано, что суммарные уравнения реакций взаимодействия в системе (In,Ga)-As-O и вид продуктов реакции определяются конкуренцией составляющих элементарных реакций. На основе результатов экспериментальных исследований процессов взаимодействия в системе «окисел-подложка-ростовые компоненты» при МЛЭ GaAs установлены закономерности и предложен механизм влияния процессов фазообразования в системе Ga-As-O на результирующую морфологию ростовой поверхности. Показано, что результирующая морфология поверхности растущего слоя GaAs существенным образом зависит от структуры окисла к моменту начала эпитаксиального роста, определяемой процессами взаимодействия компонент окисла с материалом подложки и ростовых компонент. Проведены экспериментальные исследования процессов наноразмерного профилирования поверхности эпитаксиальных слоев GaAs методом ЛАО с учетом основных управляющих параметров процесса окисления. Установлены зависимости геометрических параметров оксидных и профилированных наноразмерных структур на поверхности эпитаксиальных слоев GaAs от амплитуды и длительности импульсов напряжения, приложенного к системе зонд-подложка, уровня относительной влажности внутри технологической камеры и величины тока цепи обратной связи при проведении ЛАО в полуконтактном режиме АСМ. Установлено, что SetPoint =2 нА увеличение амплитуды с 8 до 15 В (t=500 мс) и длительности импульсов с 100 до 800 мс (при 10 В) приложенного напряжения при ЛАО приводит к увеличению высоты (с 2,9±0,3 до 5,1±0,4 нм и с 1,9±0,2 до 3,8±0,3 нм, соответственно) и диаметра (с 147±28 до 195±21 нм и с 137±29 до 156±39 нм, соответственно) ОНС, а также увеличению глубины (с 2,6±0,3 до 4,5±0,2 нм и с 1,7±0,3 до 4,1±0,3 нм, соответственно) и диаметра (с 103±24 до 157±19 нм и с 137±10 до 167±20 нм, соответственно) ПНС на поверхности эпитаксиальных слоев GaAs. Показано, что значение тока цепи обратной связи SetPoint также является управляющим параметром процесса ЛАО, при его увеличении с 0,5 до 4 нА (t=500 мс, U=15) происходит уменьшение высоты (с 8,0±0,8 до 4,6±0,4 нм), глубины (с 9,1±1,6 до 3,4±0,3 нм) и диаметра (с 274±59 до 176±49 нм и с 274±34 до 167±29 нм, соответственно) формируемых оксидных и профилированных наноразмерных структур. Повышение относительной влажности внутри технологической камеры СЗМ с 70±1% до 90±1% приводит к снижению напряжения с 8,0 до 7,0 В, при котором начинает наблюдаться процесс ЛАО, а также к увеличению геометрических параметров ОНС и ПНС арсенида галлия. Проведены экспериментальные исследования процессов наноразмерного профилирования поверхности эпитаксиальных слоев GaAs методом ФИП с учетом основных управляющих параметров метода. Разработана методика оценки разрешающей способности травления поверхности эпитаксиальных слоев GaAs методом ФИП. Показано, что с увеличением тока ФИП с 1 пА до 7 нА разрешающая способность локального наноразмерного профилирования снижается до 7,5 раз, что обусловлено увеличением физического диаметра пучка с ростом его тока. Разработаны специализированные шаблоны для оценки закономерностей влияния управляющих параметров ионно-лучевого профилирования методом ФИП на геометрические характеристики формируемого наноразмерного профиля на поверхности GaAs. Результаты исследований показали увеличение глубины с 4 до 18 нм и диаметра с 212 до 353 нм получаемых наноразмерных структур с возрастанием длительности воздействия ионного пучка в точке с 10 до 200 мс при токе пучка 0,1 нА. Показано, что при увеличении значения тока ионного пучка увеличиваются геометрические размеры наноразмерных структур вследствие возрастания плотности потока энергии ионного пучка и увеличением размеров ионного зонда. Выявлено, что для 100 проходов, при токе ионного пучка свыше 7 нА, сформированные структуры начинают перекрываться, что делает невозможным дальнейшее измерение их геометрических характеристик. Кроме этого, при токах ионного пучка в диапазоне от 10 пА до 1 нА наблюдается максимальная скорость увеличения латеральных размеров наноструктур, тогда, как в диапазоне токов свыше 1 нА эта скорость уменьшается. Установлено, что при увеличении времени воздействия ионного пучка в точке скорость травления по глубине возрастает в несколько раз быстрее, чем скорость латерального травления, что обусловлено неизменностью геометрических и энергетических параметров пучка при постоянных токе и ускоряющем напряжении. Проведены экспериментальные исследования процессов формирования самоорганизующихся наноструктур (In,Ga)As на поверхности эпитаксиальных слоев GaAs методом капельной МЛЭ с учетом основных управляющих параметров метода. Определены режимы капельной эпитаксии соединений (In,Ga)As на планарных поверхностях, позволяющие формировать массивы самоорганизующихся наноструктур плотностью до 2,5е8 см-2, диаметром 100-120 нм и высотой до 30 нм в среднем температурном диапазоне. В ходе анализа результатов АСМ-исследований установлено, что с повышением температуры роста и увеличением времени отжига наблюдается размывание гетерограницы наноструктура/поверхность, обусловленное интенсификацией процессов диффузионного массопереноса на границе фазового перехода. Продемонстрирована возможность получения приемлемых с точки зрения геометрических параметров самоорганизующихся структур методом капельной МЛЭ при относительно высоких температурах, что критически важно для структур, ориентированных на приборное применение. Разработана математическая модель роста GaAs на основе модифицированного алгоритма Монте-Карло из молекулярных пучков Ga и As2 с учетом основных управляющих параметров и специфики технологии МЛЭ и влияния компоненты V группы.

 

Публикации

1. Авилов В.И., Краснобородько С.Ю., Смирнов В.А., Солодовник М.С., Цуканова О.Г., Саубанова Л.Р., Полякова В.В. Профилирование эпитаксиальных слоев арсенида галлия методом локального анодного окисления Известия ЮФУ. Технические науки, №9 – С. 84-93 (год публикации - 2015)

2. Агеев О.А., Балакирев С.В., Солодовник М.С., Еременко М.М. Влияние взаимодействия в системе Ga-As-O на морфологию поверхности GaAs при молекулярно-лучевой эпитаксии Физика твёрдого тела / Physics of the Solid State, V.58, №5, pp. 1045–1052 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1134/S1063783416050024

3. Агеев О.А., Солодовник М.С., Балакирев С.В., Михайлин И.А. Monte Carlo simulation of V/III flux ratio influence on GaAs island nucleation during MBE Journal of Physics: Conference Series, V.681 – p. 012036 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1088/1742-6596/681/1/012036

4. Климин В.С., Еськов А.В., Петров Н.Н. Исследование влияния режимов плазмохимического травления поверхности арсенида галлия в плазме BCl3\Ar\SF6 Известия ЮФУ. Технические науки, №9 – С. 6-14 (год публикации - 2015)

5. Солодовник М.С., Балакирев С.В., Еременко М.М. Моделирование методом Монте-Карло влияния потока тетрамеров мышьяка на эпитаксиальный рост GaAs(001) Известия ЮФУ. Технические науки, №9 – С. 134-143 (год публикации - 2015)

6. Паринов И.А., Тополов В.Ю., Chang Sh.-H. Advanced Materials: Manufacturing, Physics, Mechanics and Applications (Springer Proceedings in Physics) Springer Proceedings in Physics, Springer International Publishing Switzerland, Cham, Switzerland, № 1, V.175 – pp. 563-580 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1007/978-3-319-26324-3_40


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Разработана математическая модель роста самоорганизующихся наноструктур (In,Ga)As (нанокластеров Ga и In и квантовых точек (In,Ga)As) методом капельной МЛЭ на планарных ростовых поверхностях с учетом основных управляющих параметров эпитаксиального процесса: температуры поверхности, эффективных скорости и толщины осаждения – на основе комбинации кинетического метода Монте-Карло и капиллярной теории зародышеобразования. Модель позволяет воспроизвести процесс формирования массива островков на большой площади, рассчитать такие характеристики, как средний размер, поверхностная плотность, краевой угол смачивания, а также зависимости этих характеристик от температуры подложки, скорости роста и толщины осаждения. Также модель позволяет учесть распад кластеров докритического размера и температурную зависимость угла смачивания без введения дальнодействующих атомных связей, благодаря чему достигается существенное увеличение производительности модели. С помощью гибридной модели формирования островков In/GaAs(001) капельной эпитаксией проведено исследование геометрических характеристик массива наноструктур в зависимости от технологических параметров метода МЛЭ. Увеличение температуры, а также снижение скорости роста, способствует улучшению поверхностной диффузии адатомов и приводит к увеличению среднего размера островков. Такая же закономерность наблюдается при увеличении толщины осаждения в связи с увеличением количества материала на подложке. Однако толщина осаждения практически не оказывает влияние на поверхностную плотность капель, тогда как увеличение температуры и уменьшение скорости роста приводят к её снижению. Обнаружено, что краевой угол смачивания и аспектное соотношение островков уменьшается при повышении температуры, однако общий объём капли увеличивается. Проведены экспериментальные исследования влияния процессов и режимов предростовой обработки структурированной поверхности на параметры результирующей морфологии в условиях МЛЭ. Показано, что отжиг при T=580°C в потоке As приводит к улучшению морфологии поверхности, снижая среднеквадратичную шероховатость эпитаксиальных пленок GaAs с 0.18±0.21 нм без отжига до 0.12±0.15 нм – с отжигом в течение 30 мин. Использование методики удаления окисла при пониженных температурах (T=500-550°C) при помощи предварительного осаждения Ga показало, что при эквивалентной толщине слоя Ga 7 МС, скорости осаждения 0.25 МС/с и прерывании осаждения возможно достижение среднеквадратичной шероховатости поверхности вне области модификации порядка 0.10±0.11 нм. При этом в областях модификации наблюдалась чистая, без следов окислов поверхность. Проведены экспериментальные исследования процессов формирования методом капельной МЛЭ самоорганизующихся наноструктур (Ga,In)As (нанокластеров Ga и In и квантовых точек (In,Ga)As) на поверхностях эпитаксиальных слоев в системе (In,Ga)As переменного состава. Установлено, что понижение температуры роста приводило к увеличению угла смачивания и росту плотности формируемых капель. При фиксированной температуре роста увеличение содержания In в эпитаксиальном слое приводило к увеличению латеральных размеров капель. Показана возможность получения капель с большим аспектным соотношением (до 0.3) при относительно высоких температурах (до 500°C) при использовании методики прерывания роста. Показана возможность формирования фракталоподобных структур и структур с горизонтальными нитевидными кристаллами при высокотемпературном отжиге капель Ga в потоке As4. Проведены процессов формирования самоорганизующихся наноструктур (In,Ga)As на модифицированных методом ЛАО поверхностях. Экспериментально показана возможность получения при T=500°C упорядоченного массива самоорганизующихся наноструктур GaAs в заданных модификацией позициях с размерами закристаллизованных структур порядка 80 нм и степенью заполнения сформированных углублений 80%, а также отсутствием в окрестностях модифицированной области капель/наноструктур в пределах радиуса диффузионного сбора. Проведены экспериментальные исследования процессов наноразмерного профилирования поверхности эпитаксиальных слоев (In,Ga)As переменного состава методом ЛАО. Получены зависимости геометрических параметров оксидных и профилированных наноразмерных структур на поверхности эпитаксиальных слоев InGaAs и AlGaAs от амплитуды и длительности импульсов напряжения, приложенного к системе зонд-подложка, уровня относительной влажности внутри технологической камеры и величины тока цепи обратной связи при проведении локального анодного окисления в полуконтактном режиме АСМ. Установлено, что увеличение амплитуды и длительности импульсов приложенного напряжения при ЛАО приводит к увеличению высоты и диаметра оксидных наноразмерных структур, а также увеличению глубины и диаметра поверхностных наноразмерных структур на поверхности эпитаксиальных слоев InGaAs и AlGaAs. Показано, что значение тока цепи обратной связи также является управляющим параметром процесса ЛАО – при его увеличении происходит уменьшение высоты, глубины и диаметра формируемых оксидных и профилированных наноразмерных структур InGaAs и AlGaAs. Проведены экспериментальные исследования процессов наноразмерного профилирования поверхности эпитаксиальных слоев (Al,In,Ga)As переменного состава методом ФИП с учетом основных управляющих параметров метода. Показано, что увеличение тока ФИП в существенной степени определяет увеличение скорости травления, но при этом значительно снижает разрешающую способность профилирования. Определено, что скорость ионно-лучевого травления имеет нормальную и латеральную составляющие. Показана возможность управления скоростью нормального травления при практически неизменной скорости латерального травления. Установлено, что AlAs характеризуется минимальной скоростью травления. Минимальные значения диаметра структур, сформированных на остальных материалах, продемонстрировали тенденцию к сохранению или незначительному росту своих значений с увеличением времени воздействия и незначительными отличиями между собой. Увеличение времени воздействия в точке при этом приводило к увеличению нормальной составляющей скорости травления. Показано, что для InGaAs, AlGaAs, AlAs и InAlAs зависимости глубины от времени воздействия имеют линейный характер и незначительно отличаются друг от друга. Проведены экспериментальные исследования профилированных методом ЛАО поверхностей GaAs и InGaAs на базе метода РФЭС. Сравнение профилей концентрации, получаемых путем съемки РФЭ спектров после каждых 30 с ионного травления поверхности, показало, что в случае GaAs модификация поверхности приводит к формированию слоя окисла Ga2O3, с максимумом, расположенным насколько глубже, чем в немодифицированном образце. Окисление As, происходит в пределах приповерхностной области образца, размер которой в 2-3 раза меньше протяжённости окисного слоя Ga2O3. Для InGaAs было установлено, что окислительные процессы при модификации поверхности происходят в самых приповерхностных слоях. При этом формирование окисного слоя Ga2O3 приводит к формированию максимума, расположенного на некоторой глубине под поверхностью модифицированного участка, а окисление As, поверхностная концентрация которого в 2 раза ниже поверхностной концентрации Ga, происходит в пределах приповерхностного монослоя As. В то же время, поверхностное содержание In2O3 практически равно концентрации Ga2O3, но его распределение сосредоточено вблизи самой поверхности. Проведены экспериментальные исследования влияния мощности источников индуктивно-связанной и емкостной плазмы, а также состава газовой фазы на шероховатость вытравленной поверхности, скорость и анизотропию травления структур (Al,In,Ga)As в комбинированной плазме SF6/BCl3 емкостного и индуктивно-связанного разрядов. Было показано, что при наименьших значениях мощности индуктивно-связанной плазмы среднеквадратичная шероховатость вытравленной поверхности минимальна. Увеличение мощности источника емкостной плазмы приводит к незначительному росту скорости травления и шероховатости обрабатываемой поверхности. Также было установлено, что трехкратный рост концентрации потока BCl3 приводит к существенному росту скорости травления. Кроме того, рост концентрации свободных радикалов хлора также позволяет минимизировать шероховатость обработанной поверхности (при минимальных скоростях травления) и увеличить аспектное соотношение формируемых структур (при увеличении скорости травления). Исследования влияния параметров процесса на анизотропию травления показали, что снижение потока BCl3 приводит к уменьшению угла отклонения по вертикали. Проведены теоретические и экспериментальные исследования взаимодействия в системе GaAs-ZnO. Показано влияние толщины пленки ZnO, температуры роста и эффективных скорости осаждения и соотношения потоков Ga/As4 на характер результирующей морфологии. Получены массивы капель Ga и самокаталитические нитевидные нанокристаллы GaAs, а также определены границы условий их формирования. Показано, что кроме кинетических факторов существенную роль на морфологию эпитаксиального слоя GaAs оказывает химическое взаимодействие на гетерогранице ZnO/GaAs, причем активация химических реакций начинается при температуре 550°С, а при температурах 620-630°С пленки ZnO толщиной до 5 нм десорбируются с поверхности.

 

Публикации

1. Агеев О.А., Климин В.С., Солодовник М.С., Еськов А.В., Краснобородько С.Ю. The study of influence of the gas flow rate to etched layer thickness and roughness of the anisotropy field of gallium arsenide is etched in the plasma chemical etching process Journal of Physics: Conference Series, V. 741, №1, p. 012178 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1088/1742-6596/741/1/012178

2. Агеев О.А., Солодовник М.С., Балакирев С.В., Еременко М.М. Kinetic Monte Carlo simulation of GaAs(001) MBE growth considering V/III flux ratio effect Journal of Vacuum Science & Technology B, V. 34(4), p. 041804 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1116/1.4948514

3. Агеев О.А., Солодовник М.С., Балакирев С.В., Еременко М.М., Михайлин И.А. Effect of GaAs native oxide upon the surface morphology during GaAs MBE growth Journal of Physics: Conference Series, V. 741, №1, p. 012012 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1088/1742-6596/741/1/012012

4. Агеев О.А., Солодовник М.С., Балакирев С.В., Михайлин И.А. Monte Carlo investigation of the influence of V/III flux ratio on GaAs/GaAs(001) submonolayer epitaxy Technical Physics, V. 61, №7, pp. 971–977 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1134/S1063784216070021

5. Агеев О.А., Солодовник М.С., Балакирев С.В. Arsenic flux dependence of GaAs (001) homoepitaxial growth Advanced Materials, Mechanical and Structural Engineering, pp. 57-60 (год публикации - 2016)

6. Агеев О.А., Солодовник М.С., Балакирев С.В., Еременко М.М., Михайлин И.А. Effect of ZnO films upon the GaAs epitaxial growth Science for the Future, C. 19-21 (год публикации - 2016)


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Разработана оригинальная гибридная модель роста самоорганизующихся наноструктур (In,Ga)As (нанокластеров Ga и In и квантовых точек (In,Ga)As) методом МЛЭ в режиме капельной эпитаксии на ростовых поверхностях сложной морфологии с учетом основных управляющих параметров эпитаксиального процесса: температуры поверхности, эффективных скорости и толщины осаждения. В основе модели лежит комбинация кинетического метода Монте-Карло с положениями термодинамической теории нуклеации. Моделируемый кристалл представлен в виде квадратной решётки размерности 1+1 с номинальными междоузельными расстояниями, соответствующими структуре GaAs. С целью учёта дальнодействующей связи осаждаемых атомов с подложкой было введено 6 координационных сфер, определяющих расстояние от рассматриваемого атома до атома-соседа. Энергия связи каждой пары взаимодействующих атомов в пределах окружения определяется на основе потенциала Леннарда-Джонса. Энергия активации микроскопического процесса определяет вероятность его осуществления в единицу времени согласно уравнению Аррениуса. Время ожидания осаждения атома определяется из скорости роста, после чего выполняется событие с минимальным временем ожидания. Изменение свободной энергии формирования островка выражается как сумма объёмной и поверхностной составляющих для островка сферической формы некоторого радиуса. Степень пересыщения адатомов на поверхности сложной морфологии определяется как отношение концентрации адатомов к равновесной концентрации в данной области. При рассмотрении сложной морфологии расчет пересыщений проводится для каждого локального участка, совокупность которых определяет задаваемую структуру. С использованием разработанной модели было показано, что степень пересыщения имеет немонотонную зависимость от времени роста. Показано, что толщина смачивающего слоя может превышать толщины в 1 и 1,75 монослоя, соответствующие толщине слоя As на (2×4) и c(4×4)-реконструированной поверхности, и убывает с увеличением температуры. Для случая сложной морфологии было показано различие между процессами роста на Ga- и As-стабилизированных поверхностях. В связи с тем, что связь металлических атомов между собой слабее, чем с атомами As, подвижность адатомов возрастает, что практически полностью предотвращает формирование смачивающего слоя на Ga-стабилизированной поверхности. В то же время формирование наноструктур на As-стабилизированной поверхности сопровождается первоначальным формированием смачивающего слоя, толщина которого определяется условиями на поверхности. Ввиду большой диффузионной длины адатомов In заполнение углублений происходит в широком диапазоне температур и скоростей роста. Однако при повышении скорости роста и/или понижении температуры подложки на As-стабилизированной поверхности возрастает вероятность зарождения наноструктур за пределами углублений, в том числе на их границах. В связи с этим размеры углублений и расстояния между ними должны корректироваться в зависимости от технологических параметров. Анализ морфологических и структурных характеристик ансамбля наноструктур при различных ростовых условиях показывает, что при увеличении температуры подложки и снижении скорости роста должны увеличиваться как расстояние между углублениями, так и объем углубления. На подложках с углублениями в форме треугольников на стенках углублений наблюдается формирование смачивающего слоя, в то время как в углублениях прямоугольной формы смачивающий слой на боковых не формируется. Данное явление объясняется большей диффузионной длиной на поверхности (110) по сравнению с поверхностями (111) и (001). Исследования также показали, что, варьируя толщину осаждения, возможно независимо управлять размерами наноструктур, формирующихся в углублениях, при этом сохраняя неизменной поверхностную плотность. Согласно результатам моделирования роста на подложках со сложной морфологией, при определённом наборе технологических параметров углубления могут полностью заполняться осаждённым материалом. Были проведены экспериментальные исследования процессов формирования методом МЛЭ в режиме капельной эпитаксии самоорганизующихся наноструктур (Ga,In)As (нанокластеров Ga и In и квантовых точек (In,Ga)As) на планарных поверхностях эпитаксиальных слоев (Al,In,Ga)As с учетом основных управляющих параметров эпитаксиального процесса: температуры поверхности, эффективных скорости и толщины осаждения. Были установлены закономерности влияния состава эпитаксиального слоя и основных управляющих параметров процесса капельной эпитаксии на морфологические и структурные характеристики массивов самоорганизующихся структур. Результаты экспериментальных исследований показали, что увеличение температуры подложки приводило к закономерному росту среднего размера капель с одновременным снижением их плотности и дисперсии геометрических параметров. Нами было показано, что увеличение толщины осаждения не приводит к каким-либо изменениям в плотности массивов наноструктур (в пределах погрешности), в то время как размеры структур увеливаются. Сравнительный анализ систем In/AlGaAs и Ga/AlGaAs показал существенное различия между ними, что обусловлено существенно большей мобильностью и химической активностью адатомов In на поверхности. Высокая мобильность адатомов In приводит к существенному росту размеров наноструктур в сравнении с Ga. Однако дисперсия размеров в этом случае существенно ниже. Увеличение содержания Al в эпитаксиальном слое существенным образом меняет кинетику процессов роста. При низких ростовых температурах увеличение доли Al приводит к росту плотности структур при примерном сохранении их размеров. Увеличение температуры приводит к росту размеров структур с увеличением доли Al при сохранении разницы в плотности на порядок. В целом, диапазон изменения плотности массивов также имеет тенденцию к расширению по мере возрастания содержания Al в поверхностном эпитаксиальном слое. Кроме того, отдельно стоит обратить внимание на характер эволюции смачивающего слоя и, соответственно, критической толщины осаждения. В случае чистого GaAs он имеет ярко выраженную тенденцию к уменьшению вплоть до полного исчезновения при переходе в режим неполной конденсации, в то время как для случая AlAs толщина смачивающего слоя практически не изменяется, составляя 1,0-1,25 МС. Статистическая обработка полученных экспериментальных данных показала, что ансамбли самоорганизующихся наноструктур существенным образом изменяют свои структурные характеристики при переходе от прикритических режимов к закритическим. В прикритической области геометрические параметры ансамбля имеют ярко выраженное бимодальное распределение, которое по мере смещения в закритическую область переходит к одномодальному с последовательным уменьшением дисперсии при возрастании температуры подложки. Были проведены экспериментальные исследования процессов формирования методом МЛЭ в режиме капельной эпитаксии регулярных массивов самоорганизующихся наноструктур (Ga,In)As (нанокластеров Ga и In и квантовых точек (In,Ga)As) на профилированных методами ЛАО, ФИП и плазмохимической обработки поверхностях эпитаксиальных слоев (Al,In,Ga)As. Были получены экспериментальные закономерности влияния основных параметров процесса (толщины осаждения и температуры роста) на процессы упорядочивания ансамбля наноструктур. Было показано, что при относительно низких температурах сложно обеспечить высокую степень локализации роста из-за низкой диффузионной длины адатомов и, как следствие, малого радиуса диффузионного сбора неоднородности. Увеличение температуры увеличивает не только размер формируемых структур вследствие увеличения подвижности адатомов и снижения толщины смачивающего слоя при сохранении толщины осаждения неизменной, но и степень локализации их формирования. При структурировании поверхностей на основе комбинации электронно- и ионно-лучевой обработки и плазмохимического травления были обнаружены эффекты маскирования. В случае электроннолучевой обработки область, подверженная экспозиции в электронах, выступает в дальнейшем как маска при реализации щадящего режима плазмохимического травления. При этом с ростом длительности обработки в плазме маскирующий эффект индуцированного лучом заряда постепенно исчезает. В случае ионно-лучевой обработки обнаруженный эффект имеет более сложный характер, первоначально стимулируя травление с последующим переходом к маскированию обработанного участка. Анализ экспериментальных результатов показал, что все модифицированные участки при заращивании вторым буферным слоем трансформировались в ограненные структуры с выраженной анизотропией формы, обусловленной анизотропией структуры реконструированной поверхности и, как следствие, диффузионных процессов на ней. Наличие граней с различной ориентацией вносит существенный вклад в процессы формирования наноструктур, поскольку каждая грань обладает собственным набором физико-химических и структурных параметров, модифицируя процессы нуклеации и самоорганизации. Причем вклад комплексной структуры индуцированных неоднородностей возрастает с увеличением размера структуры и, соответственно, площади составляющих ее плоскостей. Использование такого рода структур позволило снизить в плотность формируемых структур, в зависимости от режима.

 

Публикации

1. Balakirev S.V., Solodovnik M.S., Ageev O.A. Kinetic Monte Carlo simulation of the indium droplet epitaxy on the Ga-terminated GaAs(001) surface Journal of Physics: Conference Series, V.917, p. 032033 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1088/1742-6596/917/3/032033

2. Балакирев С.В., Солодовник М.С., Агеев О.А. Hybrid Analytical-Monte Carlo Model of In/GaAs(001) Droplet Epitaxy: Theory and Experiment Physica Status Solidi (B) Basic Research, V. 255, № 4, p. 1700360 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1002/pssb.201700360

3. Климин В.С. Исследование влияния режимов профилирования поверхности структур на основе арсенида галлия методом плазмохимического травления с учетом потока хлорсодержащего газа Известия ЮФУ. Технические науки, №4, с. 169-178 (год публикации - 2017)

4. Климин В.С., Томинов Р.В., Еськов А.В., Краснобородько С.Ю., Агеев О.А. The influence of the chemical and physical component of the plasma etching of the surface of gallium arsenide on the etching rate in the chloride plasma of the combined discharge Journal of Physics: Conference Series, V.917, p. 092005 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1088/1742-6596/917/9/092005

5. Лисицын С.А., С.В. Балакирев С.В., Авилов В.И., Коломийцев А.С., Климин В.С., Солодовник М.С., Коноплев Б.Г., Агеев О.А. Study of Nanoscale Profiling Modes of GaAs Epitaxial Structures by Focused Ion Beams Nanotechnologies in Russia, V.13, №1-2, p.26-33 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1134/S199507801801007X

6. Солодовник М.С., Балакирев С.В., Еременко М.М., Михайлин И.А., Авилов В.И., Лисицын С.А., Агеев О.А. Droplet epitaxy of GaAs nanostructures on the As-stabilized GaAs(001) surface Journal of Physics: Conference Series, V.917, p. 032037 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1088/1742-6596/917/3/032037

7. Балакирев С.В., Солодовник М.С., Агеев О.А. Программа для кинетического моделирования формирования наноструктур In/GaAs(001) методом капельной эпитаксии -, 2017619657 (год публикации - )

8. Балакирев С.В., Солодовник М.С., Агеев О.А. Моделирование эпитаксиального роста GaAs/GaAs(001) методом Монте-Карло -, 2016663155 (год публикации - )

9. Еременко М.М., Балакирев С.В., Солодовник М.С., Агеев О.А. Программа для моделирования процессов автоэпитаксиального роста GaAs/GaAs(111)A методом Монте-Карло -, 2017662826 (год публикации - )

10. - Ученые ЮФУ занимаются созданием энергоэффективных световых устройств Пресс-центр Южного федерального университета, 05.05.2016 (год публикации - )

11. - Наноэлектронике и нанофотонике - перспективную элементную базу Академия, №35 (771), стр. 7 (18.11.2017) (год публикации - )


Возможность практического использования результатов
Современная полупроводниковая технология неумолимо приближается к порогу миниатюризации и, как следствие, ее эффективности на фоне стремительно растущих потребностей в высокопроизводительных системах обработки, хранения и безопасной передачи больших объемов данных. Это обуславливает необходимость перехода к принципиально новым архитектурам вычислительных и телекоммуникационных платформ, прежде всего, гибридным – основанным на интеграции дальнейших вариантов развития традиционной и перспективной электронной компонентной базы с принципами квантовой электроники и фотоники. Особо стоит отметить актуальность создания именно твердотельных схем реализации таких платформ, сопряженных с текущими и/или прогнозируемыми возможностями производственных процессов и исследовательских инструментов в рамках планарной технологии. Полученные в рамках проекта результаты могут быть использованы при разработке методов и технологий управления процессами эпитаксиального синтеза и самоорганизации наноструктур А3В5, реализующих эффективный контроль свойств получаемых структур и их позиционирование. Это открывает широкие перспективы в области повышения эффективности фотоприемников и фотоэлектрических преобразователей на основе гетероструктур А3В5 за счет плазмонных эффектов, создания источников одиночных и запутанных фотонов, функциональных блоков клеточных автоматов и квантового компьютинга, перспективных телекоммуникационных и гибридных вычислительных систем.