МОНТЕ КАРЛО МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КАПЕЛЬНОЙ ЭПИТАКСИИ НАНОСТРУКТУР In/GaAs НА СТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОДЛОЖКАХ
Ключевые слова:
Молекулярно-лучевая эпитаксия, капельная эпитаксия, арсенид галлия, структурированные поверхности, самоорганизующиеся наноструктуры, нуклеация, Монте-Карло моделирование
Аннотация
В работе представлены результаты теоретических исследований методом Монте-Карло процессов самоорганизации наноразмерных металлических капель, полученных методом капельной эпитаксии, в системе In/GaAs(001) на подложках с предварительно заданными структурными неоднородностями. При этом варьировались форма и геометрические характеристики задаваемых углублений, а также расстояния между ними (плотность). Рассмотрение процессов нуклеации и роста капельных наноструктур на структурированных поверхностях GaAs проводилось с учетом основных управляющих параметров метода капельной эпитаксии. Результаты расчетов показали, что на подложках с комплексной морфологией вероятность зарождения островков распределяется неоднородно и зависит от участка поверхности. Исследование показало, что для повышения точности позиционирования наноструктур и их однородности наиболее предпочтительными являются углубления треугольной формы с большими аспектными соотношениями геометрических размеров. Использование модифицированных поверхностей позволяет регулировать размер и плотность самоорганизующихся наноструктур, обеспечивая возможность получения, в том числе, латерально связанных квантово-размерных структур.
Литература
1. Ageev O.A., Solodovnik M.S., Balakirev S.V., Mikhaylin I.A. Monte Carlo simulation of V/III flux ratio influence on GaAs island nucleation during MBE // Journal of Physics: Conference Series. 2016. – V.681. – p. 012036.
2. Ageev O A, Solodovnik M S, Balakirev S V and Eremenko M M. Effect of interaction in the Ga–As–O system on the morphology of a GaAs surface during molecular-beam epitaxy // Physics of the Solid State. 2016. – V.58, №5. – p.1045–1052.
3. Balakirev S V, Eremenko M M, Mikhaylin I A, Klimin V S and Solodovnik M S. Droplet epitaxy of In/AlGaAs nanostructures on the As-stabilized surface // Journal of Physics: Conference Series. 2018. – V.1124. – p.022018.
4. Vurgaftman I and Meyer J R. Band parameters for III–V compound semiconductors and their alloys // Journal of Applied Physics. 2001. – V.89. – p.5815–5875.
5. Ozdemir S, Suyolcu Y E, Turan S and Aslan B. Influence of the growth conditions on the optical and structural properties of self-assembled InAs/GaAs quantum dots for low As/In ratio // Applied Surface Science. 2017. – V.392. – p.817–825.
6. Dilger M, Haug R, Eberl K and Von Klitzing K. Single-electron transistors with a self-assembled quantum dot // Semicond. Science Technology. 1996. – V.11. – p.1493-1497.
7. Klimin V S, Solodovnik M S, Lisitsyn S A, Rezvan A A and Balakirev S V. Formation of nanoscale structures on the surface of gallium arsenide by local anodic oxidation and plasma chemical etching // Journal of Physics: Conference Series. 2018. – V.1124. – p.041024.
8. Ageev O A, Solodovnik M S, Balakirev S V, Eremenko M M and Mikhaylin I A. Monte Carlo simulation of kinetic effects on GaAs/GaAs(001) MBE growth // Journal of Crystal Growth. 2017. – V.457. – p.46-51.
9. Luscombe J H, Randall J N and Bouchard A M. Resonant tunneling quantum-dot diodes: physics, limitations, and technological prospects // Proceedings of the IEEE. 1991. – V.79. – p.1117–1130.
10. Solodovnik M S, Karenkikh O G, Balakirev S V, Petrov S I, Ryzhuk R V, Alexeev A N and Ageev O A. MBE formation of self-catalyzed GaAs nanowires using ZnO nanosized films // Journal of Physics: Conference Series. 2018. – V.1124. – p.081024.
11. Balocco C, Song A and Missous M. Room-temperature operations of memory devices based on self-assembled InAs quantum dot structures // Applied physics letters. 2004. – V.85. – p.5911–5913.
12. Balakirev S V, Solodovnik M S, Eremenko M M, Mikhaylin I A and Ageev O A. Monte Carlo investigation of the MBE growth of GaAs on the surfaces with different crystallographic orientations // Journal of Physics: Conference Series. 2017. – V.917. – p.032034.
13. Ageev O A, Solodovnik M S, Balakirev S V, Eremenko M M and Mikhaylin I A. Effect of GaAs native oxide upon the surface morphology during GaAs MBE growth // Journal of Physics: Conference Series. 2016. – V.741, №1. – p.012012.
14. Geller M, Marent A, Nowozin T, Bimberg D, Akçay N and Öncan N. A write time of 6ns for quantum dot–based memory structures // Applied physics letters. 2008. –
V.92. – p.092108.
15. Ageev O A, Solodovnik M S, Balakirev S V and Eremenko M M. Kinetic Monte Carlo simulation of GaAs(001) MBE growth considering V/III flux ratio effect // Journal of Vacuum Science and Technologies B. 2016. – V.34(4). – p.041804.
16. 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. Исследование режимов наноразмерного профилирования эпитаксиальных структур GaAs методом фокусированных ионных пучков // Российские нанотехнологии.2018. – Т.13, №1-2. – с.28-35.
17. Агеев О.А., Солодовник М.С., Балакирев С.В., Михайлин И.А. Исследование влияния соотношения потоков V/III на процессы субмонослойной эпитаксии GaAs/GaAs(001) методом Монте-Карло // Журнал технической физики. 2016. – Т.86, №7. – с.15-21.
18. Balakirev S V, Eremenko M M, Mikhaylin I A and Solodovnik M S. Study of the geometrical parameters of In nanostructures during droplet epitaxy on the As-stabilized GaAs(001) surface // Journal of Physics: Conference Series. 2018. – V.1124. – p.022025.
19. Balakirev S V, Solodovnik M S, Eremenko M M, Mikhaylin I A and Ageev O A. Analytical–Monte Carlo model of the growth of In nanostructures during droplet epitaxy on the triangle-patterned GaAs substrates // Journal of Physics: Conference Series. 2018. – V.1124. – p.022001.
20. Somaschini C, Bietti S, Koguchi N and Sanguinetti S. Fabrication of multiple concentric nanoring structures // Nano Letters. 2009. – V.9. – p.3419–3424.
21. Solodovnik M S, Balakirev S V, Eremenko M M, Mikhaylin I A, Avilov V I, Lisitsyn S A and Ageev O A. Droplet epitaxy of GaAs nanostructures on the As-stabilized GaAs(001) surface // Journal of Physics: Conference Series. 2017. – V.917. – p.032037.
22. Kim J S and Koguchi N. Near room temperature droplet epitaxy for fabrication of InAs quantum dots // Applied physics letters. 2004. – V.85. – p.5893–5895.
23. Balakirev S V, Solodovnik M S and 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. – V.917. – p.032033.
24. Mano T, Watanabe K, Tsukamoto S, Fujioka H, Oshima M and Koguchi N. New self-organized growth method for InGaAs quantum dots on GaAs (001) using droplet epitaxy // Japanese journal of applied physics. 1999. – V.38. – p.1009–1011.
25. Krishna S. Quantum dots-in-a-well infrared photodetectors // Journal of Physics D: Applied Physics. 2005. – V.38. – p.2142.
26. Perera A. Quantum structures for multiband photon detection // Opto-Electronics Review. 2006. – V.14. – p.99–108.
27. Le Ru E, Howe P, Jones T and Murray R. Strain-engineered InAs/GaAs quantum dots for long-wavelength emission // Physical Review B. 2003. – V.67. – p.165303.
28. Schneider C, Heindel T, Huggenberger A, Weinmann P, Kistner C, Kamp M, Reitzenstein S, Höflinga S and Forchel A. Single photon emission from a site-controlled quantum dot-micropillar cavity system // Applied physics letters. 2009. – V.94. – p.111111.
29. Kuroda T, Abbarchi M, Mano T, Watanabe, Yamagiwa M, Kuroda K, Sakoda K, Kido G, Koguchi N, Mastrandrea C, Cavigli L, Gurioli M, Ogawa Y and Minami F. Photon Correlation in GaAs Self-Assembled Quantum Dots // Applied Physics Express. 2008. – V.1. – p.042001.
30. Dousse A, Suffczyn’ski J, Beveratos A, Krebs O, Lemaıtre A, Sagnes I, Bloch J, Voisin P and Senellart P. Ultrabright source of entangled photon pairs // Nature. 2010. – V.466. – p.217-220.
31. Khosroshahyab M B, Moaiyeri M H, Angizi S, Bagherzadeh N and Navi K. Quantum-dot cellular automata circuits with reduced external fixed inputs // Microprocessors and microsystems. 2017. – V.50. – p.154–163.
32. Cavigli L, Abbarchi M, Bietti S, Somaschini C, Sanguinetti S, Koguchi N, Vinattieri A and Gurioli M. Individual GaAs quantum emitters grown on Ge substrates // Applied physics letters. 2011. – V.98. – p.103104.
33. Dias N L, Garg A, Reddy U, Young J D, Verma V B, Mirin R P and Coleman J J. Directed self-assembly of InAs quantum dots on nano-oxide templates // Applied physics letters. 2011. – V.98. – p.141112.
34. Kim J S, Kawabe M and Koguchi N. Ordering of high-quality InAs quantum dots on defect-free nanoholes // Applied physics letters. 2006. – V.88. – p.072107.
35. Balakirev S.V., Solodovnik M.S., Ageev O.A. Hybrid analytical–Monte Carlo model for In/GaAs(001) droplet epitaxy: Theory and experiment // Physica Status Solidi B. 2018. – V.255, № 4. – p. 1700360.
36. Балакирев С.В., Блинов Ю.Ф., Солодовник М.С. Модель начальной стадии гомоэпитаксиального роста GaAs методом МЛЭ с учетом соотношения потоков ростовых компонент // Известия ЮФУ. Технические науки. 2014. – №9. – с.94-105.
37. 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. 2015. – №9. – с.134-143.
2. Ageev O A, Solodovnik M S, Balakirev S V and Eremenko M M. Effect of interaction in the Ga–As–O system on the morphology of a GaAs surface during molecular-beam epitaxy // Physics of the Solid State. 2016. – V.58, №5. – p.1045–1052.
3. Balakirev S V, Eremenko M M, Mikhaylin I A, Klimin V S and Solodovnik M S. Droplet epitaxy of In/AlGaAs nanostructures on the As-stabilized surface // Journal of Physics: Conference Series. 2018. – V.1124. – p.022018.
4. Vurgaftman I and Meyer J R. Band parameters for III–V compound semiconductors and their alloys // Journal of Applied Physics. 2001. – V.89. – p.5815–5875.
5. Ozdemir S, Suyolcu Y E, Turan S and Aslan B. Influence of the growth conditions on the optical and structural properties of self-assembled InAs/GaAs quantum dots for low As/In ratio // Applied Surface Science. 2017. – V.392. – p.817–825.
6. Dilger M, Haug R, Eberl K and Von Klitzing K. Single-electron transistors with a self-assembled quantum dot // Semicond. Science Technology. 1996. – V.11. – p.1493-1497.
7. Klimin V S, Solodovnik M S, Lisitsyn S A, Rezvan A A and Balakirev S V. Formation of nanoscale structures on the surface of gallium arsenide by local anodic oxidation and plasma chemical etching // Journal of Physics: Conference Series. 2018. – V.1124. – p.041024.
8. Ageev O A, Solodovnik M S, Balakirev S V, Eremenko M M and Mikhaylin I A. Monte Carlo simulation of kinetic effects on GaAs/GaAs(001) MBE growth // Journal of Crystal Growth. 2017. – V.457. – p.46-51.
9. Luscombe J H, Randall J N and Bouchard A M. Resonant tunneling quantum-dot diodes: physics, limitations, and technological prospects // Proceedings of the IEEE. 1991. – V.79. – p.1117–1130.
10. Solodovnik M S, Karenkikh O G, Balakirev S V, Petrov S I, Ryzhuk R V, Alexeev A N and Ageev O A. MBE formation of self-catalyzed GaAs nanowires using ZnO nanosized films // Journal of Physics: Conference Series. 2018. – V.1124. – p.081024.
11. Balocco C, Song A and Missous M. Room-temperature operations of memory devices based on self-assembled InAs quantum dot structures // Applied physics letters. 2004. – V.85. – p.5911–5913.
12. Balakirev S V, Solodovnik M S, Eremenko M M, Mikhaylin I A and Ageev O A. Monte Carlo investigation of the MBE growth of GaAs on the surfaces with different crystallographic orientations // Journal of Physics: Conference Series. 2017. – V.917. – p.032034.
13. Ageev O A, Solodovnik M S, Balakirev S V, Eremenko M M and Mikhaylin I A. Effect of GaAs native oxide upon the surface morphology during GaAs MBE growth // Journal of Physics: Conference Series. 2016. – V.741, №1. – p.012012.
14. Geller M, Marent A, Nowozin T, Bimberg D, Akçay N and Öncan N. A write time of 6ns for quantum dot–based memory structures // Applied physics letters. 2008. –
V.92. – p.092108.
15. Ageev O A, Solodovnik M S, Balakirev S V and Eremenko M M. Kinetic Monte Carlo simulation of GaAs(001) MBE growth considering V/III flux ratio effect // Journal of Vacuum Science and Technologies B. 2016. – V.34(4). – p.041804.
16. 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. Исследование режимов наноразмерного профилирования эпитаксиальных структур GaAs методом фокусированных ионных пучков // Российские нанотехнологии.2018. – Т.13, №1-2. – с.28-35.
17. Агеев О.А., Солодовник М.С., Балакирев С.В., Михайлин И.А. Исследование влияния соотношения потоков V/III на процессы субмонослойной эпитаксии GaAs/GaAs(001) методом Монте-Карло // Журнал технической физики. 2016. – Т.86, №7. – с.15-21.
18. Balakirev S V, Eremenko M M, Mikhaylin I A and Solodovnik M S. Study of the geometrical parameters of In nanostructures during droplet epitaxy on the As-stabilized GaAs(001) surface // Journal of Physics: Conference Series. 2018. – V.1124. – p.022025.
19. Balakirev S V, Solodovnik M S, Eremenko M M, Mikhaylin I A and Ageev O A. Analytical–Monte Carlo model of the growth of In nanostructures during droplet epitaxy on the triangle-patterned GaAs substrates // Journal of Physics: Conference Series. 2018. – V.1124. – p.022001.
20. Somaschini C, Bietti S, Koguchi N and Sanguinetti S. Fabrication of multiple concentric nanoring structures // Nano Letters. 2009. – V.9. – p.3419–3424.
21. Solodovnik M S, Balakirev S V, Eremenko M M, Mikhaylin I A, Avilov V I, Lisitsyn S A and Ageev O A. Droplet epitaxy of GaAs nanostructures on the As-stabilized GaAs(001) surface // Journal of Physics: Conference Series. 2017. – V.917. – p.032037.
22. Kim J S and Koguchi N. Near room temperature droplet epitaxy for fabrication of InAs quantum dots // Applied physics letters. 2004. – V.85. – p.5893–5895.
23. Balakirev S V, Solodovnik M S and 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. – V.917. – p.032033.
24. Mano T, Watanabe K, Tsukamoto S, Fujioka H, Oshima M and Koguchi N. New self-organized growth method for InGaAs quantum dots on GaAs (001) using droplet epitaxy // Japanese journal of applied physics. 1999. – V.38. – p.1009–1011.
25. Krishna S. Quantum dots-in-a-well infrared photodetectors // Journal of Physics D: Applied Physics. 2005. – V.38. – p.2142.
26. Perera A. Quantum structures for multiband photon detection // Opto-Electronics Review. 2006. – V.14. – p.99–108.
27. Le Ru E, Howe P, Jones T and Murray R. Strain-engineered InAs/GaAs quantum dots for long-wavelength emission // Physical Review B. 2003. – V.67. – p.165303.
28. Schneider C, Heindel T, Huggenberger A, Weinmann P, Kistner C, Kamp M, Reitzenstein S, Höflinga S and Forchel A. Single photon emission from a site-controlled quantum dot-micropillar cavity system // Applied physics letters. 2009. – V.94. – p.111111.
29. Kuroda T, Abbarchi M, Mano T, Watanabe, Yamagiwa M, Kuroda K, Sakoda K, Kido G, Koguchi N, Mastrandrea C, Cavigli L, Gurioli M, Ogawa Y and Minami F. Photon Correlation in GaAs Self-Assembled Quantum Dots // Applied Physics Express. 2008. – V.1. – p.042001.
30. Dousse A, Suffczyn’ski J, Beveratos A, Krebs O, Lemaıtre A, Sagnes I, Bloch J, Voisin P and Senellart P. Ultrabright source of entangled photon pairs // Nature. 2010. – V.466. – p.217-220.
31. Khosroshahyab M B, Moaiyeri M H, Angizi S, Bagherzadeh N and Navi K. Quantum-dot cellular automata circuits with reduced external fixed inputs // Microprocessors and microsystems. 2017. – V.50. – p.154–163.
32. Cavigli L, Abbarchi M, Bietti S, Somaschini C, Sanguinetti S, Koguchi N, Vinattieri A and Gurioli M. Individual GaAs quantum emitters grown on Ge substrates // Applied physics letters. 2011. – V.98. – p.103104.
33. Dias N L, Garg A, Reddy U, Young J D, Verma V B, Mirin R P and Coleman J J. Directed self-assembly of InAs quantum dots on nano-oxide templates // Applied physics letters. 2011. – V.98. – p.141112.
34. Kim J S, Kawabe M and Koguchi N. Ordering of high-quality InAs quantum dots on defect-free nanoholes // Applied physics letters. 2006. – V.88. – p.072107.
35. Balakirev S.V., Solodovnik M.S., Ageev O.A. Hybrid analytical–Monte Carlo model for In/GaAs(001) droplet epitaxy: Theory and experiment // Physica Status Solidi B. 2018. – V.255, № 4. – p. 1700360.
36. Балакирев С.В., Блинов Ю.Ф., Солодовник М.С. Модель начальной стадии гомоэпитаксиального роста GaAs методом МЛЭ с учетом соотношения потоков ростовых компонент // Известия ЮФУ. Технические науки. 2014. – №9. – с.94-105.
37. 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. 2015. – №9. – с.134-143.
