Разработка и исследование технологических основ синтеза самоорганизующихся наноструктурIn(As)/AlGaAs методом капельной эпитаксии для элементов нанофотоники тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Балакирев Сергей Вячеславович

• Балакирев Сергей Вячеславович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Балакирев Сергей Вячеславович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ

САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ НАНОСТРУКТУР А3В5

1.1 Применение самоорганизующихся наноструктур А3В5

1.1.1 Элементы наноэлектроники

1.1.2 Элементы оптоэлектроники и нанофотоники

1.2 Методы формирования самоорганизующихся наноструктур А3В5

1.2.1 Режим роста Странского-Крастанова

1.2.2 Капельная эпитаксия

1.3 Теоретические аспекты процессов самоорганизации наноструктур А3В5 методом капельной эпитаксии

1.3.1 Аналитическая теория формирования капельных наноструктур

1.3.2 Моделирование процессов капельной эпитаксии кинетическим методом Монте-Карло

1.4 Выводы и постановка задач

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ НАНОСТРУКТУР

1п/ОаАв МЕТОДОМ КАПЕЛЬНОЙ ЭПИТАКСИИ

2.1 Разработка модели формирования наноструктур 1п/ОаАБ методом капельной эпитаксии на основе кинетического метода Монте-Карло

2.1.1 Кристаллическая матрица

2.1.2 Элементарные процессы

2.1.3 Нуклеация

2.1.4 Алгоритм модели

2.2 Теоретические исследования процессов формирования

наноструктур In/GaAs методом капельной эпитаксии

2.2.1 Механизм формирования капель

2.2.2 Толщина смачивающего слоя

2.2.3 Влияние температуры роста на геометрические параметры наноструктур

2.3 Выводы по главе

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ НАНОСТРУКТУР In(As)/AlGaAs МЕТОДОМ КАПЕЛЬНОЙ ЭПИТАКСИИ

3.1 Используемое оборудование и подготовительные операции

3.2 Исследование режимов формирования массивов самоорганизующихся наноструктур In/AlGaAs

3.2.1 Динамика изменения характеристик массивов наноструктур

3.2.2 Влияние температуры подложки на характеристики массивов наноструктур

3.2.3 Критическая толщина и минимально достижимый размер

капель

3.2.4 Распределение массива наноструктур по размерам

3.3 Исследование толщины смачивающего слоя и химического состава поверхности образцов с наноструктурами In/GaAs, полученными

методом капельной эпитаксии

3.4 Формирование наноструктур InAs/GaAs в результате кристаллизации капель индия в потоке мышьяка

3.5 Выводы по главе

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ НАНОСТРУКТУР In(As)/AlGaAs В ЭЛЕМЕНТАХ НАНОФОТОНИКИ

4.1 Разработка технологического маршрута изготовления однофотонного излучателя на основе наногетероструктур с

самоорганизующимися квантовыми точками в системе InAs/AlGaAs с

использованием метода капельной эпитаксии

4.2 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ

ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ «Документы о внедрении и использовании результатов диссертационной работы»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность диссертационной работы

Переход на новый уровень развития электронных устройств происходит во многом благодаря использованию уникальных свойств структур пониженной размерности - квантовых ям, проволок, точек и др. Реализация таких структур стала возможна благодаря появлению и развитию технологии получения гетероструктур, среди которых особое место занимают гетероструктуры на основе соединений А3В5 ввиду наличия у них уникального сочетания электрофизических, оптических и технологических свойств: прямозонной структуры большинства соединений, малой эффективной массы и высокой подвижности носителей заряда, высоких значений насыщения дрейфовой скорости носителей заряда, возможности изменения ключевых характеристик (ширина запрещенной зоны, эффективная масса, постоянная решетки, упругие постоянные и т.п.) в широком диапазоне значений за счет использования тройных и четвертных твердых растворов и т.п. [1]. Использование, в частности, соединений ЛИпОаЛБ и наногетероструктур на их основе при создании устройств микро-, нано- и оптоэлектроники и фотоники позволяет существенным образом повысить их быстродействие, энергоэффективность, улучшить шумовые, частотные и мощностные характеристики, расширить спектральный диапазон функционирования и др. [2].

Особенно большой интерес для использования в приборах наноэлектроники и нанофотоники представляют гетероструктуры с квантовыми точками (КТ), обладающие уникальными свойствами, важнейшими из которых являются атомоподобный спектр электронных состояний и возможность управления им с прецизионной точностью путем регулирования их геометрических и физико -химических характеристик [3-5], что повышает актуальность разработки и совершенствования методов изготовления гетероструктур с КТ с заданными

свойствами. В настоящее время одним из наиболее перспективных методов получения гетероструктур с КТ, является метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), обладающий целым рядом преимуществ перед другими ростовыми технологиями: малая скорость и относительно низкие температуры роста, возможность резкого прерывания и последующего возобновления роста, наличие информативных методов in situ контроля состояния поверхности и др. [6-8].

Несмотря на значительный объем проводимых на сегодняшний день исследований, технология управляемого синтеза гетероструктур AlInGaAs с КТ методом МЛЭ все еще требует совершенствования. Использование традиционного подхода - роста по механизму Странского-Крастанова, при котором на поверхность подложки осаждаются ростовые компоненты III и V группы одновременно, - ограничивает возможности управления параметрами наноструктур, что связано с невозможностью формирования КТ в ненапряженных системах, взаимозависимостью размера, формы и поверхностной плотности наноструктур, технологической сложностью управления толщиной смачивающего слоя, а также позиционированием и однородностью КТ по размерам и др. Указанных недостатков лишен метод капельной эпитаксии, основанный на поочередном осаждении компонент III и V групп, благодаря чему становится возможным раздельное управление характеристиками ансамбля формируемых самоорганизующихся наноструктур на этапах формирования металлических капель и их последующей кристаллизации в потоке компоненты V группы [9]. Однако, несмотря на преимущества метода капельной эпитаксии, его использование в массовом производстве гетероструктур AlInGaAs с КТ требует решения ряда физико-технологических задач, связанных с вопросами контроля геометрических, структурных и функциональных характеристик ансамбля формируемых наноструктур и систем на их основе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование технологических основ синтеза самоорганизующихся наноструктурIn(As)/AlGaAs методом капельной эпитаксии для элементов нанофотоники»

Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка и исследование технологических основ синтеза методом капельной эпитаксии массивов самоорганизующихся наноструктур Iп(Лs)/ЛlGaЛs для активных элементов устройств нанофотоники.

Основные задачи исследований:

1. Анализ и обобщение основных свойств и требований к гетероструктурам Iп(Лs)/ЛlGaЛs с квантовыми точками и методам их получения для применения в устройствах нанофотоники и наноэлектроники.

2. Разработка математической модели формирования самоорганизующихся наноструктур Iп/GaЛs методом капельной эпитаксии с учетом основных управляющих параметров метода.

3. Теоретические исследования процессов формирования самоорганизующихся наноструктур Iп/GaЛs методом капельной эпитаксии.

4. Экспериментальные исследования влияния основных управляющих параметров метода капельной эпитаксии на процессы роста и геометрические характеристики самоорганизующихся наноструктур Iп(Лs)/ЛlGaЛs.

5. Разработка технологического маршрута изготовления однофотонного излучателя на основе наногетероструктур с самоорганизующимися квантовыми точками в системе InAs/AlGaAs с использованием метода капельной эпитаксии.

Научная новизна:

1. На основе метода Монте-Карло разработана математическая модель формирования методом капельной эпитаксии самоорганизующихся наноструктур In/GaAs с учетом основных управляющих параметров метода и особенностей поверхностной структуры подложки.

2. На основе разработанной математической модели установлены теоретические закономерности влияния основных управляющих параметров

метода капельной эпитаксии на процессы формирования и геометрические характеристики самоорганизующихся наноструктур In/GaAs.

3. Установлены экспериментальные закономерности влияния основных управляющих параметров метода капельной эпитаксии и химического состава подложки на процессы формирования и геометрические характеристики самоорганизующихся наноструктур In(As)/AlGaAs.

4. Предложен механизм формирования методом капельной эпитаксии самоорганизующихся наноструктур In(As)/AlGaAs, объясняющий существование критической толщины и смену режимов роста с двумерного на трехмерный.

Практическая значимость работы:

1. Определены режимы формирования самоорганизующихся наноструктур Iп/GaЛs методом капельной эпитаксии, в том числе в области критических толщин осаждения. Показано, что в диапазоне температур от 150 °С до 300 °С при скорости роста 0,25 МС/с критическая толщина формирования капель уменьшается с 3 до 1 МС.

2. Определены режимы формирования самоорганизующихся наноструктур Iп/ЛlGaЛs на подложках переменного состава методом капельной эпитаксии, в том числе в области критических толщин осаждения. Показано, что при температуре 150 °С критическая толщина формирования капель при переходе от подложки GaЛs к подложкам Al0.5Ga0.5As и AlAs снижается с 3,00 до 1,25 и 1,50 МС соответственно.

3. Определены режимы формирования наноструктур IпЛs/GaЛs методом капельной эпитаксии, позволяющие исключить неконтролируемое образование наноструктур по механизму Странского-Крастанова. Показано, что кристаллизация капель, полученных при температуре 200 °С после осаждения 2,5 МС индия, приводит к повышению поверхностной плотности наноструктур IпЛs относительно плотности капель М, тогда как при кристаллизации капель, осажденных при температуре 300 °С с толщиной 1,5 МС, поверхностная

плотность наноструктур 1пАб остается практически неизменной относительно плотности капель 1п.

4. Разработан комплекс программного обеспечения, позволяющего реализовать кинетическое моделирование процессов формирования капель 1п методом капельной эпитаксии на подложках ОаАБ с учетом основных управляющих параметров метода и особенностей поверхностной структуры подложки.

5. Предложен технологический маршрут изготовления однофотонного излучателя на основе наногетероструктур с самоорганизующимися квантовыми точками в системе 1пАв/АЮаАв с использованием метода капельной эпитаксии, позволяющий исключить неконтролируемое формирование наноструктур в активной области в пределах апертуры излучателя.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель формирования самоорганизующихся наноструктур In/GaAs методом капельной эпитаксии с учетом основных управляющих параметров метода и особенностей поверхностной структуры подложки.

2. Закономерности влияния основных управляющих параметров метода капельной эпитаксии и химического состава подложки на процессы формирования и геометрические характеристики самоорганизующихся наноструктур МСАвуАЮаАБ.

3. Механизм формирования методом капельной эпитаксии самоорганизующихся наноструктур в системе In(As)/AlGaAs, объясняющий существование критической толщины и смену режимов роста с двумерного на трехмерный.

Реализация результатов работы:

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры нанотехнологий и микросистемной техники и

научно-образовательного центра и центра коллективного пользования «Нанотехнологии» Южного федерального университета в 2015-2019 гг.: «Эпитаксиальные гетероструктуры с регулярными массивами самоорганизующихся наноструктур А3В5» (Российский научный фонд, проект №15-19-10006, 2015-2019 гг.); «Исследование физико-технологических процессов создания методом селективной МЛЭ контактов к активным областям наногетероструктур A3B5 для перспективных элементов наноэлектроники и фотоники с поперечным переносом носителей заряда» (Российский фонд фундаментальных исследований, проект №16-37-60033, 2016 г.); «Исследование и разработка конструктивно-технологических решений создания активных элементов одно- и нанофотоники на основе наногетероструктур A3B5 с квантовыми точками» (Совет по грантам Президента РФ, проект №МК-2629.2017.8, 2017-2018 гг.).

Результаты диссертационной работы внедрены в практическую деятельность Физико-технологического института им. К. А. Валиева РАН (г. Москва), в научно-исследовательские работы Института нанотехнологий и микросистемной техники, а также в учебный процесс на кафедре нанотехнологий и микросистемной техники Южного федерального университета.

При выполнении работ в рамках диссертационного исследования использовалось технологическое и аналитическое оборудование НОЦ и ЦКП «Нанотехнологии» Южного федерального университета.

Апробация работы:

Основные научные результаты диссертационной работы были представлены на различных конференциях и семинарах всероссийского и международного уровня: European Workshop on Molecular Beam Epitaxy (г. Санкт-Петербург, 2017; г. Ленгрис, Германия, 2019), International Conference on Molecular-Beam Epitaxy (г. Монпелье, Франция, 2016; г. Шанхай, Китай, 2018), European School on Crystal Growth (г. Варна, Болгария, 2018), Compound Semiconductor Week (г. Берлин,

Германия, 2017; г. Кембридж, США, 2018), International Conference on Crystal Growth and Epitaxy (г. Нагойя, Япония, 2016), North American Molecular Beam Epitaxy Conference (г. Ривьера-Майя, Мексика, 2015; г. Нью-Йорк, США, 2016), European Conference on Crystal Growth (г. Болонья, Италия, 2015), International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures (г. Санкт-Петербург, 2016, 2017, 2018), International Conference on Micro- and Nanoelectronics (г. Звенигород, 2016), International Conference on Computer Simulation in Physics and beyond (г. Москва, 2015), Ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (г. Ростов-на-Дону, 2013, 2014, 2015), Молодежная научная конференция NanoTech-2015 (г. Таганрог, 2015) и др.

Результаты работы отмечены дипломами ряда научных и научно-технических конференций и конкурсов: Международной студенческой научной конференции «Трибуна молодого ученого: актуальные проблемы науки глазами молодежи» (2014 г.), Международного молодежного конкурса научно-исследовательских работ «Студент и научно-технический прогресс» (2012 г.), научной студенческой конференции ТТИ ЮФУ (2010, 2011, 2012, 2013 гг.). Соискатель награжден дипломом Южного федерального университета за особые достижения в научной и учебной деятельности в 2011 г., является лауреатом молодежного научно-инновационного конкурса «У.М.Н.И.К.» 2017 г.

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, из них 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, 6 статей в журналах, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus. Получено 3 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ №2017619657 от 01.09.2017 г., №2016663155 от 29.11.2016 г. и №2017662826 от 17.11.2017 г.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка

- 12 -

используемой литературы, приложения.

Во введении приведены цель и задачи диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость проведенных исследований, обоснована актуальность темы диссертации, представлены сведения об апробации и реализации результатов работы, а также структуре диссертации.

В первой главе приведен обзор литературы по получению и применению самоорганизующихся наноструктур A3B5. Рассмотрены особенности применения ансамблей наноструктур А3В5 в качестве элементов устройств наноэлектроники, оптоэлектроники и нанофотоники. Представлен обзор способов получения самоорганизующихся наноструктур A3B5, выявлены их преимущества и недостатки. Проведен анализ современного состояния проблем формирования наноструктур A3B5 методом капельной эпитаксии. Рассмотрено влияние технологических параметров метода капельной эпитаксии на характеристики наноструктур A3B5 и особенности его первого этапа - зарождения и роста капель при осаждении атомов III группы. Проведен анализ существующих математических моделей, описывающих зарождение и рост наноструктур A3B5 методом капельной эпитаксии. Выявлены преимущества кинетического метода Монте-Карло и аналитического подхода к моделированию процессов роста самоорганизующихся наноструктур A3B5. Установлена необходимость проведения теоретических и экспериментальных исследований закономерностей процессов роста на первом этапе формирования наноструктур A3B5 методом капельной эпитаксии и о целесообразности применения гибридного подхода к моделированию процессов зарождения и роста капель. Результаты обзора позволили установить цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе приведены основные положения разработанной математической модели, основанной на комбинации кинетического метода Монте-Карло и классической теории нуклеации. Представлены учитываемые в модели механизмы взаимодействия атомов в кристалле, основные элементарные

процессы, происходящие на поверхности: адсорбция, диффузия и десорбция атомов. Приведен разработанный алгоритм модели на основе кинетического метода Монте-Карло с учетом возможности достижения зародышами критического размера с последующей фиксацией критической области. Теоретически исследован механизм зарождения капель на первом этапе формирования наноструктур InAs/GaAs методом капельной эпитаксии. Рассчитаны распределения атомов In по подложке GaAs на различных этапах ростового процесса, позволяющие проанализировать временную эволюцию морфологии системы при росте методом капельной эпитаксии. Анализ полученных теоретических результатов позволил выделить три основных стадии роста капель методом капельной эпитаксии в системе In/GaAs: нуклеацию, рост и созревание. По результатам проведенных теоретических исследований сделан вывод о том, что снижение толщины осаждения до значений, близких к критическим, позволяет получить капли меньшего размера. Однако достижение предельно малого размера, который имеют капли к моменту прерывания потока материала, ограничено неизбежным увеличением размеров капель в процессе их неконтролируемого созревания. Анализ зависимостей толщины смачивающего слоя от времени роста, полученных в результате моделирования, показал, что толщина смачивающего слоя увеличивается при снижении температуры. Наблюдаемая закономерность объясняется уменьшением количества энергии в системе, необходимой для преодоления силы связи адатомов с подложкой. В результате проведенных теоретических исследований установлены закономерности влияния температуры подложки на геометрические характеристики капель In на подложке GaAs, синтезируемых в процессе капельной эпитаксии. Установленные закономерности заключаются в том, что изменение температуры подложки в диапазоне от 150 °С до 300 °С, в котором

критическая толщина изменяется от 2,8 до 1,2 МС, приводит к уменьшению

10 8 2

поверхностной плотности на два порядка - с 2,2-10 до 1,840 см-

соответственно. При этом диаметр капель увеличивается от 18 до 107 нм, что позволяет в широком диапазоне управлять характеристиками наноструктур. Показано, что основная причина снижения скорости зарождения и значительного уменьшения поверхностной плотности капель при переходе в высокотемпературную область заключается в дефиците материала, необходимого для формирования зародышей.

В третьей главе проведены экспериментальные исследования процессов синтеза методом капельной эпитаксии самоорганизующихся наноструктур Iп(Лs)/ЛlGaЛs на поверхностях эпитаксиальных слоев переменного состава. Анализ геометрических параметров наноструктур, полученных при различных технологических режимах, проводился методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) и атомно-силовой микроскопии (АСМ). Анализ полученных экспериментальных зависимостей среднего диаметра капель от толщины осаждения указывает на существование двух областей роста: докритической, в пределах которой не происходит зарождение капель, и закритической, в пределах которой возможно формирование массивов капель с различными характеристиками. При этом критическая толщина, при которой происходит переход от двумерного к трехмерному режиму роста, при снижении температуры подложки увеличивается. Показано, что увеличение толщины осаждения приводит к увеличению размера капель при сохранении поверхностной плотности практически неизменной. Увеличение доли алюминия в подложке приводит к увеличению размера наноструктур за счет снижения их поверхностной плотности и перераспределения материала между меньшим количеством капель. Обнаружено, что при повышении температуры роста наблюдается небольшое повышение плотности наноструктур в прикритической области, что объясняется продолжением процессов зародышеобразования в течение определенного периода времени после достижения критической толщины. Противоположная ситуация наблюдается для среднего диаметра капель, который существенно возрастает при

увеличении толщины осаждения. Неизменность поверхностной плотности приводит к тому, что осаждаемый материал перераспределяется между имеющимися на поверхности устойчивыми каплями, в результате чего увеличивается их размер. Такая закономерность наблюдается в широком диапазоне ростовых температур, что позволяет рассматривать толщину осаждения как важный технологический параметр для независимого управления параметрами наноструктур. 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 отличаются бимодальным распределением, которое по мере смещения в закритическую область переходит к одномодальному. Выявлено, что увеличение толщины осаждения приводит к повышению однородности наноструктур по размерам. Среднеквадратическое отклонение диаметра капель 1п на подложке ОаАБ при увеличении толщины от 1 до 3 МС снижается как по абсолютному значению (от 12 до 7 нм), так и в процентном соотношении относительно среднего диаметра (от 19 до 7%). Таким образом, для достижения наилучшей однородности характеристик наноструктур следует смещаться из прикритической области в сторону больших толщин осаждения. Выявлено, что средний диаметр капель в системе 1п/ОаАБ при повышении

температуры от 150 °С до 300 °С увеличивается от 16 до 98 нм, а плотность падает

10 8 2

с 3-10 до 1,8-10 см- . При росте на А1-содержащих подложках повышение температуры от 150 °С до 300 °С приводит к более значительному изменению геометрических параметров капель, чем при росте на подложке ОаАБ. Полученные результаты хорошо согласуются с теоретическими расчетами, что позволяет успешно применять модель для исследования механизмов зарождения и роста наноструктур. Обнаружено, что критическая толщина осаждения не равна строго толщинам 1,00 или 1,75 МС и уменьшается при увеличении температуры. При

Т = 150 °С критическая толщина составляет 3,00 МС в случае роста на подложке GaAs и 1,50 МС в случае AlAs. Предложен механизм зарождения и роста капель, объясняющий закономерности влияния температуры подложки на критическую толщину и геометрические параметры капель методом капельной эпитаксии. В основе предложенного механизма лежит положение о необходимости преодоления силы связи адатомов с подложкой для осуществления процессов нуклеации и дальнейшего роста. Активационный барьер нуклеации при увеличении температуры понижается, что объясняет снижение критической толщины формирования капель. Однако начало процессов зародышеобразования на более ранней стадии, т.е. при осаждении меньшего количества материала, приводит к необходимости сбора адатомов с большей площади, что приводит к снижению поверхностной плотности критических капель и увеличению их размера. Выяснено, что структуры, полученные во время капельной эпитаксии In/GaAs после осаждения одинакового количества материала и при различных температурах, демонстрируют функции распределения по размерам одинакового вида, но с различным отклонением от среднего значения. С помощью метода рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии проведены экспериментальные исследования толщины смачивающего слоя и химического состава поверхности образцов с наноструктурами In/GaAs, полученными методом капельной эпитаксии. Результаты подтверждают увеличение толщины смачивающего слоя при снижении температуры роста. Показано, что капельные наноструктуры М не содержат примеси Ga, что позволяет пренебречь травлением подложки металлической каплей в рассматриваемом диапазоне температур и режимов осаждения. В результате кристаллизации капель индия в потоке мышьяка получены массивы квантовых точек IпЛs/GaAs при различных технологических режимах. Обнаружено, что кристаллизация при температуре 200 °С и толщине 2,5 МС приводит к увеличению поверхностной плотности наноструктур почти на

о 9 2

порядок (от 2,2-10 до 1,Ы0 см- ) по сравнению с плотностью капель до

кристаллизации, что затрудняет возможности управления геометрическими параметрами массивов квантовых точек. Кристаллизация капель при температуре 300 °С и толщине осаждения 1,5 МС позволяет избежать скачка поверхностной плотности, но приводит к ее снижению, обусловленному диффузионным распадом капель индия малого размера под воздействием давления паров мышьяка.

В четвертой главе предложен технологический маршрут изготовления однофотонного излучателя на основе наногетероструктур с самоорганизующимися квантовыми точками InAs/AlGaAs с использованием метода капельной эпитаксии, позволяющий исключить неконтролируемое формирование наноструктур в активной области в пределах апертуры излучателя. С помощью предложенного маршрута возможно формирование одиночной квантовой точки в пределах оптической апературы однофотонного излучателя вместо массива, что позволяет избежать неоднородного уширения, характерного для ансамбля КТ, а также снизить значение корреляцоинной функции второго порядка, характеризующей степень разгруппировки фотонов.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Содержание диссертации изложено на 135 страницах, включающих в себя: 33 рисунка; 2 таблицы; список использованных источников, включающий 146 наименований. В приложении приведены акты о внедрении результатов диссертационного исследования.

ГЛАВА 1. ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ НАНОСТРУКТУР A3B5

1.1 Применение самоорганизующихся наноструктур A3B5

В настоящее время наиболее тщательно изученными являются оптические и структурные свойства ансамблей КТ на основе полупроводниковых соединений А3В5, причем существенное число работ в этой области посвящено самоорганизующимся массивам КТ InAs, помещенных в матрицу AlGaAs.

Для применений в электронных и оптических приборах наибольший интерес представляет идеальный массив КТ [10], под которым понимается ансамбль идентичных полупроводниковых островков, имеющих малый размер во всех измерениях, благодаря чему достигается нульмерное размерное квантование. В идеальном массиве энергетическое положение квантового уровня электронов (дырок) для каждой КТ совпадает. Таким образом, на каждом квантовом уровне может находиться два электрона (с учетом спина), а число энергетических состояний на единицу площади задается поверхностной плотностью массива КТ.

1.1.1 Элементы наноэлектроники

Благодаря своим уникальным свойствам и возможности управления энергетической структурой носителей заряда, полупроводниковые КТ в системе 1пАв/АЮаАв представляют большую значимость для перспективных устройств наноэлектроники [11].

В [12] продемонстрирована возможность изготовления одноэлектронного транзистора с самоорганизующейся КТ, сформированной в процессе выращивания гетероструктуры AlGaAs на подложке GaAs методом молекулярно-лучевой эпитаксии. С помощью созданного прибора было показано переключение

одиночными электронами до температуры 6 К при приложении напряжения к планарному затвору, который также был сформирован в ходе эпитаксиального роста.

Для повышения температурной стабильности одноэлектронных транзисторов необходимо соблюдение условий точного управления геометрическими параметрами используемых наноструктур. Другим важнейшим фактором надежной работы нанотранзисторов является минимизация взаимодействия КТ между собой, что может быть достигнуто за счет снижения поверхностной плотности наноструктур при сохранении заданной формы и размеров.

КТ являются перспективным материалом для изготовления двухбарьерных резонансно-туннельных структур. Авторы [13] отмечают, что резонансно-туннельные транзисторы и диоды на основе КТ позволят добиться дальнейшей миниатюризации интегральных схем посредством сокращения минимальных размеров их элементов. Однако реализации полного потенциала КТ для резонансно-туннельных структур препятствует ряд проблем. В их число входят технологические сложности синтеза КТ с заданной структурой, а также проблемы подведения контактов к квантовым областям.

Для повышения плотности элементов в логических устройствах и одновременного снижения энергии, потребляемой на одно переключение, могут быть использованы квантовоточечные клеточные автоматы. Предложены конструкции таких устройств на основе ячеек из КТ с зарядовой и электронной спиновой поляризацией [14]. Однако практическая реализация приборов на основе клеточных автоматов находится на начальной стадии и требует решения ряда проблем, таких как большой процент ложных срабатываний, чувствительность к внешним воздействиям, нестабильность при высоких рабочих температурах и т.п. Перечисленные проблемы могут быть решены с помощью высокоточного управления расположением и геометрическими параметрами КТ.

С помощью расположенных рядом КТ, имеющих по одному электрону в зоне проводимости с разными спинами и с заполненными уровнями в валентной зоне, возможно создание логических вентилей с набором булевых функций, которых достаточно для построения любого узла электронно-вычислительной машины. В [14] предложены различные способы реализации квантовых компьютеров на основе КТ с электронными зарядовыми состояниями. Показано, что основными препятствиями для создания квантового компьютера на основе КТ являются проблемы формирования КТ заданной формы и размеров, необходимость их оптимальной ориентации относительно управляющих устройств, а также сложность прецизионного позиционирования обособленных КТ в матрице полупроводниковых материалов [15].

ЕЙ

С I 1Л (Л

■ Ъ

3 о

■О (ТЗ

н <

Е

с

ш гч

3.

га О

3

Й ^

ГЧ| <5 I ^ га

I *

о го

еэ

I

УЭ

ГЧ1

Е и

Е

с

?

к

гч 1 ^

а 3

о сл

ЯД

§-8 -_р V _с

< ;<о <С

о га

и

о <

5

га (И

#1693 ■ , . — чо 5апс1 р 1еуе1э------ 1 1 1 ^^ 1 ц_1 I |

1 """""ЧЬ*^*'*'^ 1

йеер ;1еге15[ 1 ^

0 40 80 120

с! (пт)

Рисунок 1.1 - Ростовая структура запоминающего элемента на основе КТ 1пЛб и потенциальный рельеф дна зоны проводимости при нулевом напряжении

смещения на затворе [16]

КТ системы InAs/AlGaAs являются перспективными элементами запоминающих устройств. В [16] продемонстрированы электрически

контролируемые элементы памяти на самоорганизующихся InAs КТ, работающие при комнатной температуре. Приборы были реализованы в транзисторных HEMT-структурах. Структурная схема элемента памяти и профиль дна зоны проводимости при нулевом напряжении на затворе представлены на рисунке 1.1. Операции машинной памяти в данном устройстве могут полностью контролироваться смещением на затворе без необходимости стирания памяти посредством оптического возбуждения.

В [17] продемонстрировано запоминающее устройство на основе самоорганизующихся КТ с малым временем записи, составляющим 6 нс. Время записи в устройствах представленного типа может достигать пикосекундных значений, так как ограничивается только временем релаксации носителей заряда.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Балакирев Сергей Вячеславович, 2019 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Adachi S. Properties of Group IV, III-V, and II-VI Semiconductors. - John Wiley, Sons, Ltd., West Sussex, England, 2005.

2. Bimberg D. Semiconductor nanostructures. - Springer Science & Business Media, 2008.

3. Bimberg D., Grundmann M., Ledentsov N. N. Quantum dot heterostructures. -Chichester, UK: John Wiley & Sons, 1999.

4. Michler P. Single quantum dots: Fundamentals, applications and new concepts. Т. 90. - Springer Science & Business Media, 2003.

5. Wang Z. M. Self-assembled quantum dots. Т. 1. - Springer Science & Business Media, 2007.

6. Chang L. L., Ploog K. Molecular beam epitaxy and heterostructures. Т. 87. -Springer Science & Business Media, 2012.

7. Droplet epitaxy of GaAs nanostructures on the As-stabilized GaAs(001) surface / M. S. Solodovnik, S. V. Balakirev, M. M. Eremenko, I. A. Mikhaylin, V. I. Avilov, S. A. Lisitsyn, O. A. Ageev // Journal of Physics: Conference Series. - 2017. -Т. 917, № 3. - С. 032037.

8. Effect of GaAs native oxide upon the surface morphology during GaAs MBE growth / O. A. Ageev, M. S. Solodovnik, S. V. Balakirev, M. M. Eremenko, I. A. Mikhaylin // Journal of Physics: Conference Series. - 2016. - Т. 741, № 1. -С. 012012.

9. Sanguinetti S., Bietti S., Koguchi N. Chapter 13 - Droplet Epitaxy of Nanostructures // Molecular Beam Epitaxy / под ред. M. Henini. - Second Edition.

- Elsevier, 2018. - С. 293-314.

10. Жуков А. Лазеры на основе полупроводниковых наноструктур // СПб.: Элмор.

- 2007. - Т. 304.

11. Influence of the growth conditions on the optical and structural properties of self-assembled InAs/GaAs quantum dots for low As/In ratio / S. Ozdemir, Y. E. Suyolcu, S. Turan, B. Aslan // Applied Surface Science. - 2017. - Т. 392. -С. 817-825.

12. Single-electron transistors with a self-assembled quantum dot / M. Dilger, R. Haug, K. Eberl, K. Von Klitzing // Semiconductor Science and Technology. - 1996. -Т. 11, 11S. - С. 1493.

13. Luscombe J. H., Randall J. N., Bouchard A. M. Resonant tunneling quantum-dot diodes: physics, limitations, and technological prospects // Proceedings of the IEEE. - 1991. - Т. 79, № 8. - С. 1117-1130.

14. Валиев К., Кокин А. Квантовые компьютеры: надежды и реальность, Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика».

15. Цуканов А. В., Катеев И. Ю. Квантовые операции на зарядовых кубитах с электростатическим управлением в полупроводниковых резонаторах // Микроэлектроника. - 2013. - Т. 42, № 4. - С. 246-246.

16. Balocco C., Song A., Missous M. Room-temperature operations of memory devices based on self-assembled InAs quantum dot structures // Applied Review Letters. -2004. - Т. 85, № 24. - С. 5911-5913.

17. A write time of 6 ns for quantum dot-based memory structures / M. Geller, A. Marent, T. Nowozin, D. Bimberg, N. Akfay, N. Oncan // Applied Physics Letters. - 2008. - Т. 92, № 9. - С. 092108.

18. The QD-Flash: a quantum dot-based memory device / A. Marent, T. Nowozin, M. Geller, D. Bimberg // Semiconductor Science and Technology. - 2010. - Т. 26, № 1. - С. 014026.

19. Damodaran V., Ghosh K. Size Optimization of InAs/GaAs Quantum Dots for Longer Storage Memory Applications // Nanoelectronic Materials and Devices. -Springer, 2018. - С. 29-35.

20. Krishna S. Quantum dots-in-a-well infrared photodetectors // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2005. - T. 38, № 13. - C. 2142.

21. Perera A. Quantum structures for multiband photon detection // Opto-Electronics Review. - 2006. - T. 14, № 2. - C. 99-108.

22. Strain-engineered InAs/GaAs quantum dots for long-wavelength emission / E. Le Ru, P. Howe, T. Jones, R. Murray // Physical Review B. - 2003. - T. 67, № 16. -C. 165303.

23. Multicolor photodetector based on GaAs quantum rings grown by droplet epitaxy / J. Wu, Z. Li, D. Shao, M. Manasreh, V. P. Kunets, Z. M. Wang, G. J. Salamo, B. Weaver // Applied Physics Letters. - 2009. - T. 94, № 17. - C. 171102.

24. Low-strain InAs/InGaAs/GaAs quantum dots-in-a-well infrared photodetector / R. Shenoi, R. Attaluri, A. Siroya, J. Shao, Y. Sharma, A. Stintz, T. Vandervelde, S. Krishna // Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. - 2008. - T. 26, № 3. - C. 1136-1139.

25. Towe E., Pan D. Semiconductor quantum-dot nanostructures: their application in a new class of infrared photodetectors // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2000. - T. 6, № 3. - C. 408-421.

26. Lee S.-W., Hirakawa K., Shimada Y. Bound-to-continuum intersubband photoconductivity of self-assembled InAs quantum dots in modulation-doped heterostructures // Applied Physics Letters. - 1999. - T. 75, № 10. - C. 1428-1430.

27. Quantum-dot infrared photodetector with lateral carrier transport / L. Chu, A. Zrenner, M. Bichler, G. Abstreiter // Applied Physics Letters. - 2001. - T. 79, № 14. - C. 2249-2251.

28. Tunnel current in quantum dot infrared photodetectors / J.-Y. Duboz, H. Liu, Z. Wasilewski, M. Byloss, R. Dudek // Journal of applied physics. - 2003. - T. 93, № 2. - C. 1320-1322.

29. Bhattacharya A., Bansal B. Self-Assembly in Semiconductor Epitaxy: From Growth Mechanisms to Device Applications // Handbook of Crystal Growth: Thin Films and Epitaxy / под ред. T. F. Kuech. - Second Edition. - Boston : North-Holland, 2015. - С. 1057-1099. - (Handbook of Crystal Growth). - ISBN 978-0444-63304-0.

30. Beck F. J., Mokkapati S., Catchpole K. R. Light trapping with plasmonic particles: beyond the dipole model // Optics Express. - 2011. - Т. 19, № 25. - С. 2523025241.

31. A surface plasmon enhanced infrared photodetector based on InAs quantum dots /

C.-C. Chang, Y. D. Sharma, Y.-S. Kim, J. A. Bur, R. V. Shenoi, S. Krishna,

D. Huang, S.-Y. Lin // Nano Letters. - 2010. - Т. 10, № 5. - С. 1704-1709.

32. Surface-plasmon-enhanced light emitters based on InGaN quantum wells / K. Okamoto, I. Niki, A. Shvartser, Y. Narukawa, T. Mukai, A. Scherer // Nature materials. - 2004. - Т. 3, № 9. - С. 601.

33. High performance midinfrared narrow-band plasmonic thermal emitter / M.W. Tsai, T.-H. Chuang, C.-Y. Meng, Y.-T. Chang, S.-C. Lee // Applied Physics Letters. - 2006. - Т. 89, № 17. - С. 173116.

34. Improved surface plasmon enhanced photodetection at an Au GaAs schottky junction using a novel molecular beam epitaxy grown Otto coupling structure / C. Daboo, M. Baird, H. Hughes, N. Apsley, M. Emeny // Thin Solid Films. - 1991. - Т. 201, № 1. - С. 9-27.

35. Derov J., Teng Y., Karakashian A. Angular scan spectrum of a surface plasma excitation on a Schottky diode // Physics Letters A. - 1983. - Т. 95, 3-4. - С. 197200.

36. Surface plasmon enhanced quantum efficiency of metal-insulator-semiconductor junctions in the visible / K. Berthold, W. Beinstingl, R. Berger, E. Gornik // Applied Physics Letters. - 1986. - Т. 48, № 8. - С. 526-528.

37. Устинов В. Технология получения и возможности управления характеристиками структур с квантовыми точками // Физика и техника полупроводников. - 2004. - Т. 38, № 8. - С. 963-970.

38. Deppe D., Huffaker D. Quantum dimensionality, entropy, and the modulation response of quantum dot lasers // Applied Physics Letters. - 2000. - Т. 77, № 21. -С. 3325-3327.

39. Электролюминесценция p-n-структур с квантовыми точками InAs/GaAs, выращенными методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений / Н. Байдусь, А. Бирюков, Б. Звонков, А. Здоровейщев, П. Мокеева, С. Некоркин, Е. Ускова // Труды. - 2002. - С. 93- 99.

40. Эффективные излучатели одиночных фотонов на основе селективно-позиционированных InAs-квантовых точек и брэгговских микрорезонаторов / В. Гайслер, А. Гайслер, А. Яроше-вич, И. Деребезов, М. Качанова, Ю. Живодков, Т. Гаврилова, А. Медведев, Л. Ненашева, К. Грачев [и др.] // Физика и техника полупроводников. - 2015. - Т. 49, № 1. - С. 35-40.

41. Strong coupling in a single quantum dot-semiconductor microcavity system / J. P. Reithmaier, G. Sçk, A. Löffler, C. Hofmann, S. Kuhn, S. Reitzenstein, L. Keldysh, V. Kulakovskii, T. Reinecke, A. Forchel // Nature. - 2004. - Т. 432, № 7014. - С. 197.

42. Photon antibunching from a single quantum-dot-microcavity system in the strong coupling regime / D. Press, S. Götzinger, S. Reitzenstein, C. Hofmann, A. Löffler, M. Kamp, A. Forchel, Y. Yamamoto // Physical Review Letters. - 2007. - Т. 98, № 11. - С. 117402.

43. Horiuchi N. View from... Frontiers of Plasmonics: The new facets of plasmonics // Nature Photonics. - 2012. - Т. 6, № 6. - С. 353.

44. Multipole-plasmon-enhanced Förster energy transfer between semiconductor quantum dots via dual-resonance nanoantenna effects / X.-R. Su, W. Zhang,

L. Zhou, X.-N. Peng, D.-W. Pang, S.-D. Liu, Z.-K. Zhou, Q.-Q. Wang // Applied Physics Letters. - 2010. - Т. 96, № 4. - С. 043106.

45. Brongersma M. L., Shalaev V. M. The case for plasmonics // Science. - 2010. -Т. 328, № 5977. - С. 440-441.

46. Bergman D. J., Stockman M. I. Surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation: quantum generation of coherent surface plasmons in nanosystems // Physical Review Letters. - 2003. - Т. 90, № 2. - С. 027402.

47. Localized surface plasmon resonances arising from free carriers in doped quantum dots / J. M. Luther, P. K. Jain, T. Ewers, A. P. Alivisatos // Nature materials. -

2011. - Т. 10, № 5. - С. 361.

48. Noguez C. Surface plasmons on metal nanoparticles: the influence of shape and physical environment // The Journal of Physical Chemistry C. - 2007. - Т. 111, № 10. - С. 3806-3819. Антоненко С. Технология наноструктур: учебное пособие // М.: МИФИ. - 2008.

49. Антоненко С. Технология наноструктур: учебное пособие // М.: МИФИ. -2008.

50. Henini M. Molecular beam epitaxy: from research to mass production. - Newnes,

2012.

51. Nemcsics A. Quantum Dots Prepared by Droplet Epitaxial Method // Quantum Dots / под ред. V. N. Stavrou. - Rijeka: IntechOpen, 2015. - Гл. 5. - С. 119-149.

52. Williams B. S. Terahertz quantum-cascade lasers // Nature photonics. - 2007. -Т. 1, № 9. - С. 517.

53. Room-temperature lasing operation of a quantum-dot vertical-cavity surface-emitting laser / H. Saito, K. Nishi, I. Ogura, S. Sugou, Y. Sugimoto // Applied physics letters. - 1996. - Т. 69, № 21. - С. 3140-3142.

54. Ostwald W. Z. // Z. Phys. Chem. - 1900. - Т. 34. - С. 975.

55. Carlow G., Zinke-Allmang M. Self-similar spatial ordering of clusters on surfaces during Ostwald ripening // Physical review letters. - 1997. - T. 78, № 24. -C. 4601.

56. Raab A., Springholz G. Oswald ripening and shape transitions of self-assembled PbSe quantum dots on PbTe (111) during annealing // Applied Physics Letters. -2000. - T. 77, № 19. - C. 2991-2993.

57. Koguchi N., Takahashi S., Chikyow T. New MBE growth method for InSb quantum well boxes // Journal of Crystal Growth. - 1991. - T. 111, № 1. - C. 688692.

58. Koguchi N., Ishige K. Growth of GaAs epitaxial microcrystals on an S-terminated GaAs substrate by successive irradiation of Ga and As molecular beams // Japanese Journal of Applied Physics. - 1993. - T. 32, 5R. - C. 2052.

59. Watanabe K., Koguchi N., Gotoh Y. Fabrication of GaAs quantum dots by modified droplet epitaxy // Japanese Journal of Applied Physics. - 2000. - T. 39, 2A. - C. L79.

60. Modified droplet epitaxy GaAs/AlGaAs quantum dots grown on a variable thickness wetting layer / S. Sanguinetti, K. Watanabe, T. Tateno, M. Gurioli, P. Werner, M. Wakaki, N. Koguchi // Journal of Crystal Growth. - 2003. - T. 253, № 1. - C. 71-76.

61. Mano T., Koguchi N. Nanometer-scale GaAs ring structure grown by droplet epitaxy // Journal of Crystal Growth. - 2005. - T. 278, № 1. - C. 108-112.

62. Lasing in GaAs/AlGaAs self-assembled quantum dots / T. Mano, T. Kuroda, M. Yamagiwa, G. Kido, K. Sakoda, N. Koguchi // Applied Physics Letters. - 2006. - T. 89, № 18. - C. 183102.

63. Li X., Yang G. Growth mechanisms of quantum ring self-assembly upon droplet epitaxy // The Journal of Physical Chemistry C. - 2008. - T. 112, № 20. - C. 76937697.

64. Fabrication of multiple concentric nanoring structures / C. Somaschini, S. Bietti, N. Koguchi, S. Sanguinetti // Nano letters. - 2009. - T. 9, № 10. - C. 3419-3424.

65. Li X. Formation mechanisms of multiple concentric nanoring structures upon droplet epitaxy // The Journal of Physical Chemistry C. - 2010. - T. 114, № 36. -C. 15343-15346.

66. New self-organized growth method for InGaAs quantum dots on GaAs (001) using droplet epitaxy / Mano, K. Watanabe, S. Tsukamoto, H. Fujioka, M. Oshima, N. Koguchi // Japanese Journal of Applied Physics. - 1999. - T. 38, 9A. - C. L1009.

67. Fabrication of InGaAs quantum dots on GaAs (001) by droplet epitaxy / T. Mano, K. Watanabe, S. Tsukamoto, H. Fujioka, M. Oshima, N. Koguchi // Journal of Crystal Growth. - 2000. - T. 209, № 2. - C. 504-508.

68. Kim J. S., Koguchi N. Near room temperature droplet epitaxy for fabrication of InAs quantum dots // Applied Physics Letters. - 2004. - T. 85, № 24. - C. 58935895.

69. Evolution of InAs nanostructures grown by droplet epitaxy / C. Zhao, Y. Chen, B. Xu, P. Jin, Z. Wang // Applied Physics Letters. - 2007. - T. 91, № 3. - C. 033112.

70. Noda T., Mano T. Fabrication of a complex InAs ring-and-dot structure by droplet epitaxy // Applied Surface Science. - 2008. - T. 254, № 23. - C. 7777-7780.

71. Single-photon emission from InGaAs quantum dots grown on (111) GaAs / E. Stock, T. Warming, Ostapenko, S. Rodt, A. Schliwa, J. A. Tofflinger, A. Lochmann, A. I. Toropov, S. A. Moshchenko, V. Dmitriev [h gp.] // Applied Physics Letters. - 2010. - T. 96, № 9. - C. 093112.

72. Noda T., Mano T., Sakaki H. Anisotropic diffusion of In atoms from an In droplet and formation of elliptically shaped InAs quantum dot clusters on (100) GaAs // Crystal Growth & Design. - 2011. - T. 11, № 3. - C. 726-728.

73. High-quality structures with InAs/Al0.9Ga0.1As QDs produced by droplet epitaxy / A. Lyamkina, Abramkin, D. Dmitriev, D. Gulyaev, A. Gutakovsky, S.

Moshchenko, T. Shamirzaev, A. Toropov, Zhuravlev // Journal of Crystal Growth. - 2011. - T. 337, № 1. - C. 93-96.

74. Single-photon emission from single InGaAs/GaAs quantum dots grown by droplet epitaxy at high substrate temperature / M. Benyoucef, V. Zuerbig, J. P. Reithmaier, T. Kroh, A. W. Schell, T. Aichele, O. Benson // Nanoscale Research Lettersearch letters. - 2012. - T. 7, № 1. - C. 493.

75. Energy transfer within ultralow density twin InAs quantum dots grown by droplet epitaxy / B.-L. Liang, Z.-M. Wang, X.-Y. Wang, J.-H. Lee, Y. I. Mazur, C.-K. Shih, G. J. Salamo // ACS Nano. - 2008. - T. 2, № 11. - C. 2219-2224.

76. Low-temperature scanning tunneling microscopy of selfassembled inas quantum dots grown by droplet epitaxy / C. Durand, A. Peilloux, K. Suzuki, K. Kanisawa, B. Grandidier, K. Muraki // Physics Procedia. - 2010. - T. 3, № 2. - C. 1299-1304.

77. Mechanisms of InAs/GaAs quantum dot formation during annealing of In islands / S. Huang, S. J. Kim, R. Levy, X. Pan, R. S. Goldman // Applied Physics Letters. -2013. - T. 103, № 13. - 132104.

78. InGaAs and GaAs quantum dot solar cells grown by droplet epitaxy / P. Yu, J. Wu, L. Gao, H. Liu, Z. Wang // Solar Energy Materials and Solar Cells. - 2017. - T. 161. - C. 377-381.

79. Self-organization of quantum-dot pairs by high-temperature droplet epitaxy / Z. M. Wang, K. Holmes, Y. I. Mazur, K. A. Ramsey, G. J. Salamo // Nanoscale Research Letters. - 2006. - T. 1, № 1. - C. 57-61.

80. InGaAs quantum dot molecules during selective etching using an In droplet mask / J. Lee, Z. Wang, Y. Hirono, E.-S. Kim, S.-M. Koo, V. G. Dorogan, Y. I. Mazur, S. Song, G. Park, G. J. Salamo // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2010. - T. 44, № 2. - C. 025102.

81. Local droplet etching of nanoholes and rings on GaAs and AlGaAs surfaces / A. Stemmann, C. Heyn, T. Koppen, T. Kipp, W. Hansen // Applied Physics Letters. -2008. - T. 93, № 12. - 123108.

82. Local etching of nanoholes and quantum rings with In x Ga 1- x droplets / A. Stemmann, T. Köppen, M. Grave, S. Wildfang, S. Mendach, W. Hansen, C. Heyn // Journal of Applied Physics. - 2009. - T. 106, № 6. - C. 064315.

83. Surface morphology and photoluminescence of InGaAs quantum rings grown by droplet epitaxy with varying In0.5Ga0.5droplet amount / N. Pankaow, S. Thainoi, S. Panyakeow, S. Ratanathammaphan // Journal of Crystal Growth. - 2011. - T. 323, № 1. - C. 282-285.

84. Fabrication of InAs nanoscale rings by droplet epitaxy / T. Noda, M. Jo, T. Mano, T. Kawazu, H. Sakaki // Journal of Crystal Growth. - 2013. - T. 378. - C. 529-531.

85. Nanoscale InGaAs concave disks fabricated by heterogeneous droplet epitaxy / T. Mano, K. Watanabe, S. Tsukamoto, N. Koguchi, H. Fujioka, M. Oshima, C.-D. Lee, J.-Y. Leem, H. J. Lee, S. K. Noh // Applied Physics Letters. - 2000. - T. 76, № 24. - C. 3543-3545.

86. Various quantum-and nano-structures by III-V droplet epitaxy on GaAs substrates / J. Lee, Z. M. Wang, E. Kim, N. Kim, S. Park, G. Salamo // Nanoscale Research Letters. - 2009. - T. 5, № 2. - C. 308.

87. Super low density InGaAs semiconductor ring-shaped nanostructures / J. H. Lee, Z. M. Wang, M. E. Ware, K. C. Wijesundara, M. Garrido, E. A. Stinaff, G. J. Salamo // Crystal Growth and Design. - 2008. - T. 8, № 6. - C. 1945-1951.

88. Formation of InGaAs Quantum Disks Using Droplet Lithography / T. Mano, T. Kuroda, T. Noda, Sakoda, N. Koguchi // Japanese Journal of Applied Physics. -2007. - T. 46, № 8L. - C. L736.

89. Low-density quantum dot molecules by selective etching using in droplet as a mask / J. Lee, Z. M. Wang, Y. Hirono, V. G. Dorogan, Y. I. Mazur, E.-S. Kim, S.-M. Koo, S. Park, S. Song, G. J. Salamo // IEEE Transactions on Nanotechnology. -2011. - T. 10, № 3. - C. 600-605.

90. Magneto-photoluminescence study of InGaAs quantum dots fabricated by droplet epitaxy / T. Mano, K. Watanabe, S. Tsukamoto, Y. Imanaka, T. Takamasu, H.

Fujioka, G. Kido, M. Oshima, Koguchi // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. - 2000. - T. 7, № 3. - C. 448-451.

91. Indium segregation in the fabrication of InGaAs concave disks by heterogeneous droplet epitaxy / Mano, S. Tsukamoto, N. Koguchi, H. Fujioka, M. Oshima // Journal of crystal growth. - 2001. - T. 227. - C. 1069-1072.

92. Boonpeng P., Panyakeow S., Ratanathammaphan S. Fabrication of In 0.15 Ga 0.85 As nanohloes on GaAs by droplet molecular beam epitaxy // Journal of Crystal Growth. - 2009. - T. 311, № 7. - C. 1843-1846.

93. Pankaow N., Panyakeow S., Ratanathammaphan S. Formation of In0.5Ga0.5As ring-and-hole structure by droplet molecular beam epitaxy // Journal of Crystal Growth. - 2009. - T. 311, № 7. - C. 1832-1835.

94. Transformation of concentric quantum double rings to single quantum rings with squarelike nanoholes on GaAs (001) by droplet epitaxy / P. Boonpeng, W. Jevasuwan, N. Nuntawong, S. Thainoi, S. Panyakeow, S. Ratanathammaphan // Journal of Crystal Growth. - 2011. - T. 323, № 1. - C. 271-274.

95. InGaAs quantum-dot-in-ring structure by droplet epitaxy / P. Boonpeng, S. Kiravittaya, S. Thainoi, Panyakeow, S. Ratanathammaphan // Journal of Crystal Growth. - 2013. - T. 378. - C. 435- 438.

96. Ring-to-dots transformation of InGaAs quantum rings grown by droplet epitaxy / N. Pankaow, Prongjit, S. Thainoi, S. Panyakeow, S. Ratanathammaphan // Microelectronic Engineering. - 2013. - T. 110. - C. 298-301.

97. Lee J., Wang Z. M., Salamo G. Observation of change in critical thickness of In droplet formation on GaAs (100) // Journal of Physics: Condensed Matter. - 2007. - T. 19, № 17. - C. 176223.

98. Atomic scale analysis of self assembled GaAs/AlGaAs quantum dots grown by droplet epitaxy / J. Keizer, J. Bocquel, P. Koenraad, T. Mano, T. Noda, K. Sakoda // Applied Physics Letters. - 2010. - T. 96, № 6. - C. 062101.

99. Shape control via surface reconstruction kinetics of droplet epitaxy nanostructures / C. Somaschini, Bietti, N. Koguchi, S. Sanguinetti // Applied Physics Letters. -2010. - Т. 97, № 20. - С. 203109.

100. Spontaneous formation of a cluster of InAs dots along a ring-like zone on GaAs (100) by droplet epitaxy / T. Noda, T. Mano, T. Kuroda, K. Sakoda, H. Sakaki // Journal of Crystal Growth. - 2009. - Т. 311, № 7. - С. 1836-1838.

101. Li X., Yang G. On the Physical understanding of quantum rings self-assembly upon droplet epitaxy // Journal of Applied Physics. - 2009. - Т. 105, № 10. - С. 103507.

102. Unified model of droplet epitaxy for compound semiconductor nanostructures: experiments and theory / K. Reyes, P. Smereka, D. Nothern, J. M. Millunchick, S. Bietti, C. Somaschini, S. Sanguinetti, Frigeri // Physical Review B. - 2013. - Т. 87, № 16. - С. 165406.

103. Li X. Theory of controllable shape of quantum structures upon droplet epitaxy // Journal of Crystal Growth. - 2013. - Т. 377. - С. 59-63.

104. Dubrovskii V. G. Nucleation theory and growth of nanostructures. - Berlin, Heidelberg, Germany : Springer, 2014.

105. Kelton K., Greer A. L. Nucleation in condensed matter: applications in materials and biology. Т. 15. - Amsterdam, The Netherlands: Elsevier, 2010.

106. Wang C., Yang G. Thermodynamics of metastable phase nucleation at the nanoscale // Materials Science and Engineering: R: Reports. - 2005. - Т. 49, № 6. -С. 157-202.

107. Кукушкин С. А., Осипов А. В. Процессы конденсации тонких пленок // Успехи физических наук. - 1998. - Т. 168, № 10. - С. 1083-1116.

108. Venables J. A. and M. Hanbucken // Rep. Prog. Phys. - 1984. - Т. 47. - С. 399.

109. Regimes of GaAs quantum dot self-assembly by droplet epitaxy / C. Heyn,

A. Stemmann, A. Schramm, H. Welsch, W. Hansen, A. Nemcsics // Physical Review

B. - 2007. - Т. 76, № 7. - С. 075317.

110. Clarke S., Vvedensky D. D. Origin of reflection high-energy electron-diffraction intensity oscillations during molecular-beam epitaxy: A computational modeling approach // Physical Review Letters. - 1987. - Т. 58, № 21. - С. 2235.

111. Ostwald W. Lehrbuch der Allgemeinen Chemie. Т. 2. - Leipzig, Germany, 1896.

112. Zinke-Allmang M., Feldman L. C., Grabow M. H. Clustering on surfaces // Surface Science Reports. - 1992. - Т. 16, № 8. - С. 377-463.

113. Landau D. P., Binder K. A guide to Monte Carlo simulations in statistical physics. - Cambridge, UK : Cambridge University Press, 2014.

114. Kinetic Monte Carlo simulation of GaAs (001) MBE growth considering the V/III flux ratio effect / O. A. Ageev, M. S. Solodovnik, S. V. Balakirev, M. M. Eremenko // Journal of Vacuum Science & Technology B. - 2016. - Т. 34, № 4. - С. 041804.

115. Исследование влияния соотношения потоков V/III на процессы субмонослойной эпитаксии GaAs/GaAs(001) методом Монте-Карло / О. А. Агеев, С. В. Балакирев, М. С. Солодовник, И. А. Михайлин // Журнал технической физики. - 2016. - Т. 86, № 7. - С. 15-21.

116. Monte Carlo investigation of the MBE growth of GaAs on the surfaces with different crystallographic orientations / S. V. Balakirev, M. S. Solodovnik, I. A. Mikhaylin, M. M. Eremenko, O. A. Ageev // Journal of Physics: Conference Series. -2017. - Т. 917, № 3. - С. 032034.

117. Vasilenko M. A., Neizvestny I. G., Shwartz N. L. Formation of GaAs nanostructures by droplet epitaxy-Monte Carlo simulation // Computational Materials Science. - 2015. - Т. 102. - С. 286-292.

118. 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. - 2017. - Т. 917, № 3. - С. 032033.

119. Jones J. E. On the Determination of Molecular Fields. II. From the Equation of State of a Gas // Proceedings of the Royal Society of London Series A. - 1924. -Окт. - Т. 106. - С. 463-477.

120. Mithen J., Sear R. Computer simulation of epitaxial nucleation of a crystal on a crystalline surface // The Journal of Chemical Physics. - 2014. - T. 140, № 8. -C. 084504.

121. Ekenstedt M., Yamaguchi H., Horikoshi Y. Indium desorption from InAs surfaces and its dependence on As coverage // Applied Physics Letters. - 1995. - T. 67, № 26. - C. 3948-3950.

122. Monte Carlo simulation of the kinetic effects on GaAs/GaAs (001) MBE growth / O. A. Ageev, M. S. Solodovnik, S. V. Balakirev, I. A. Mikhaylin, M. M. Eremenko // Journal of Crystal Growth. - 2017. - T. 457. - C. 46-51. - DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2016.05.039.

123. Formation conditions for InAs/GaAs quantum dot arrays by droplet epitaxy under MOVPE conditions / R. K. Akchurin, L. Berliner, I. Boginskaya, E. Gordeev, E. Egorova, A. Marmalyuk, M. Ladugin, M. Surnina // Technical Physics. - 2014. -T. 59, № 1. - C. 78-84.

124. Step line tension and step morphological evolution on the Si (111)(11) surface / A. Pang, K. Man, M. S. Altman, T. Stasevich, F. Szalma, T. Einstein // Physical Review B. - 2008. - T. 77, № 11. - C. 115424.

125. Pierre-Louis O. Dynamics of crystal steps // Comptes Rendus Physique. - 2005. -T. 6, № 1. - C. 11-21.

126. A Monte Carlo simulation of the processes of nanostructure growth: The time-scale event-scheduling algorithm / A. Zverev, K. Y. Zinchenko, N. Shwartz, Z. S. Yanovitskaya // Nanotechnologies in Russia. - 2009. - T. 4, № 3. - C. 215-224.

127. Kinetic Monte Carlo simulation of formation of microstructures in liquid droplets / M. Block, R. Kunert, E. Schöll, T. Boeck, T. Teubner // New Journal of Physics. -2004. - T. 6, № 1. - C. 166.

128. Surface reconstructions of GaAs (100) observed by scanning tunneling microscopy / D. Biegelsen, R. Bringans, J. Northrup, L.-E. Swartz // Physical Review B. - 1990. - T. 41, № 9. - C. 5701.

129. Growth of InAs nanocrystals on GaAs (100) by droplet epitaxy / J.-M. Lee, D. H. Kim, H. Hong, J.-C. Woo, S.-J. Park // Journal of Crystal Growth. - 2000. - Т. 212, № 1. - С. 67-73.

130. Li X., Cao Y., Yang G. Thermodynamic theory of two-dimensional to three-dimensional growth transition in quantum dots self-assembly // Physical Chemistry Chemical Physics. - 2010. - Т. 12, № 18. - С. 4768-4772.

131. Li X. L., Wang C. X., Yang G. W. Thermodynamic theory of growth of nanostructures // Progress in Materials Science. - 2014. - Т. 64. - С. 121-199.

132. Li X. L. Thermodynamic theory of quantum dot self-assembly on strained substrates // The Journal of Physical Chemistry C. - 2010. - Т. 114, № 5. - С. 20182021.

133. Wetting layer evolution and its temperature dependence during self-assembly of InAs/GaAs quantum dots / H. Zhang, Y. Chen, G. Zhou, C. Tang, Z. Wang // Nanoscale Research Letters. - 2012. - Т. 7, № 1. - С. 600.

134. Получение и исследование HEMT-структур на основе GaAs для СВЧ-полевых транзисторов на нанотехнологическом комплексе НАНОФАБ НТК-9 / О. А. Агеев, Ю. Н. Варзарёв, А. В. Рукомойкин, М. С. Солодовник // Известия Южного федерального университета. Технические науки. - 2011. - Т. 117, № 4.

135. Arthur J. R. Molecular beam epitaxy // Surface Science. - 2002. - Т. 500, № 1-3. - С. 189-217.

136. Lee J. H., Wang Z. M., Salamo G. J. The control on size and density of InAs QDs by droplet epitaxy // IEEE Transactions on Nanotechnology. - 2009. - Т. 8, № 4. -С. 431-436.

137. Влияние взаимодействия в системе Ga-As-O на морфологию поверхности GaAs при молекулярно-лучевой эпитаксии / О. А. Агеев, С. В. Балакирев, М. С. Солодовник, М. М. Еременко // Физика твердого тела. - 2016. - Т. 58, № 5. -С. 1011-1018.

138. Balakirev S. V., Solodovnik M. S., Ageev O. A. Hybrid Analytical-Monte Carlo Model of In/GaAs (001) Droplet Epitaxy: Theory and Experiment // Physica Status Solidi B. - 2018. - Т. 255, № 4. - С. 1700360.

139. Krzyzewski T., Jones T. Ripening and annealing effects in InAs/GaAs (001) quantum dot formation // Journal of Applied Physics. - 2004. - Т. 96, № 1. - С. 668674.

140. Kiraz A., Atatüre M., Imamoglu A. Quantum-dot single-photon sources: Prospects for applications in linear optics quantum-information processing // Physical Review A. - 2004. - Т. 69, № 3. - С. 032305.

141. Single photon quantum cryptography / A. Beveratos, R. Brouri, T. Gacoin, A. Villing, J.-P. Poizat, P. Grangier // Physical Review Letters. - 2002. - Т. 89, № 18. - С. 187901.

142. Single photon emission from a site-controlled quantum dot-micropillar cavity system / C. Schneider, T. Heindel, A. Huggenberger, P. Weinmann, C. Kistner, M. Kamp, S. Reitzenstein, S. Höflinga, A. Forchel // Applied Physics Letters. -2009. - Т. 94, №. 11. - С. 111111.

143. Single-photon-emitting optical centers in diamond fabricated upon Sn implantation / S. D. Tchernij, T. Herzig, J. Forneris, J. Küpper, S. Pezzagna, P. Traina, E. Moreva, I. P. Degiovanni, G. Brida, N. Skukan, M. Genovese, M. Jaksic, J. Meijer, P. Olivero // ACS photonics. - 2017. - Т. 4, № 10. - С. 25802586.

144. MagiQ Technologies (Somerville, USA), http://www.magiqtech.com/

145. Цуканов А. В., Катеев И. Ю. Квантовые вычисления на квантовых точках в полупроводниковых микрорезонаторах. Часть III // Микроэлектроника. - 2015. - Т. 44, № 2. - С. 79-79.

146. Устинов В. М. Технология получения и возможности управления характеристиками структур с квантовыми точками // Физика и техника полупроводников. - 2004. - Т. 38, №. 8. - С. 963-970.

ПРИЛОЖЕНИЕ

«Документы о внедрении и использовании результатов диссертационной работы»

научных результатов диссертационной работы Балакирева C.B. на тему: «Разработка и исследование технологических основ синтеза

самоорганизующихся наноструктур In(As)/AlGaAs методом капельной эпитаксии для элементов нанофотоники»

Настоящим актом подтверждается, что материалы диссертационного исследования Балакирева C.B. на тему: «Разработка и исследование технологических основ синтеза самоорганизующихся наноструктур In(As)/AlGaAs методом капельной эпитаксии для элементов нанофотоники», представленного на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах, используются в практической деятельности ФТИАН им. К.А. Валиева РАН.

По материалам работы были опробованы и внедрены результаты исследований закономерностей влияния основных управляющих параметров метода капельной эпитаксии и химического состава подложки на процессы формирования и геометрические характеристики самоорганизующихся наноструктур In(As)/AlGaAs. Результаты исследования режимов формирования самоорганизующихся наноструктур In(As)/AlGaAs на подложках переменного состава методом капельной эпитаксии, в том числе в области в критических толщин осаждения, применяются в процессе выработки рекомендаций по формированию наноструктур In(As)/AlGaAs с заданными электрофизическими и оптическими параметрами.

Выводы и положения диссертационного исследования Балакирева C.B. применяются в процессе проведения научных исследований, экспериментальных разработок и производства наноструктур - элементов наноэлектроники и перспективной элементной базы твердотельных квантовых компьютеров во ФТИАН им. К.А. Валиева РАН.

УТВЕРЖДАЮ

Заместитель директора по научной работе, д.ф-м.н

Руководитель Лаборатории АВВС д.ф.-м.н.

АКТ

о внедрении результатов, полученных в диссертационной работе Балакирева C.B., в учебный процесс кафедры Нанотехнологий и микросистемной техники Южного федерального университета

Настоящим актом подтверждается, что результаты диссертационной работы Балакирева Сергея Вячеславовича «Разработка и исследование технологических основ синтеза методом капельной эпитаксии массивов самоорганизующихся наноструктур In(As)/AlGaAs для элементов нанофотоники» используются в учебном процессе кафедры Нанотехнологий и микросистемной техники (HT МСТ) ЮФУ.

Разработанная математическая модель формирования самоорганизующихся наноструктур In/GaAs методом капельной эпитаксии с учетом основных управляющих параметров метода и особенностей поверхностной структуры подложки, а также установленные закономерности влияния основных управляющих параметров метода капельной эпитаксии и химического состава подложки на процессы формирования и геометрические характеристики самоорганизующихся наноструктур In(As)/AlGaAs использованы при подготовке руководства к выполнению лабораторных работ с использованием установки для молекулярно-лучевой эпитаксии SemiTEq STE 35.

Результаты диссертационной работы Балакирева C.B. внедрены в учебный процесс кафедры HT МСТ, их использование при чтении курсов лекций «Процессы микро- и нанотехнологии», «Микро- и нанотехнологии в электронике» позволило повысить уровень подготовки студентов по направлениям 28.03.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника» и 28.04.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника». Также результаты были использованы при подготовке бакалаврских выпускных квалификационных работ.

Председатель учебно-методического совета ИНЭП

к.т.н., доцент

B.C. Климин

Зав. кафедрой HT МСТ к.т.н. доцент

А.С. Коломийцев