ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ ОТЖИГА ПОДЛОЖКИ GAAS(111) НА ХАРАКТЕРИСТИКИ НАНОУГЛУБЛЕНИЙ, ФОРМИРУЕМЫХ ФОКУСИРОВАННЫМИ ИОННЫМИ ПУЧКАМИ ПРИ РАЗЛИЧНОМ ВРЕМЕНИ ВОЗДЕЙСТВИЯ:

Е.А. Лахина; Н.Е. Черненко; Н.А. Шандыба; С.В. Балакирев; М. С. Солодовник

Е.А. Лахина Южный федеральный университет
Н.Е. Черненко Южный федеральный университет
Н.А. Шандыба Южный федеральный университет
С.В. Балакирев Южный федеральный университет
М. С. Солодовник Южный федеральный университет

Ключевые слова: Нанотехнологии, наноструктуры, наноматериалы, полупроводники, молекулярно-лучевая эпитаксия, арсенид галлия, поток мышьяка, фокусированный ионный пучок, отжиг, GaAs(111)

Аннотация

Представлены результаты экспериментальных исследований процессов формирования уг-
лублений методом фокусированных ионных пучков на подложках GaAs(111) и их последующей
трансформации в процессе отжига в сверхвысоковакуумной камере молекулярно-лучевой эпитак-
сии в потоке мышьяка и в его отсутствие. Установлено, что при времени воздействия ионного
пучка, равного 1 мс, процессы накопления ионов в подложке преобладают над процессами распы-
ления материала, тогда как при времени, равном 5 мс, происходит интенсивное распыление мате-
риала подложки в точках воздействия ионного пучка с увеличением глубины вытравливаемых уча-
стков при повышении числа проходов. После отжига подложек с участками, модифицированными
фокусированным ионным пучком, углубления значительно увеличиваются в размерах в результате
процессов локального капельного травления. Исследования показали, что размеры углублений после
отжига в потоке мышьяка превышают размеры углублений после отжига в отсутствие потокамышьяка почти во всем диапазоне чисел проходов ионного пучка. Зависимости глубины и лате-
рального размера углублений от числа проходов ионного пучка имеют немонотонный характер,
обусловленный конкуренцией процессов капельного травления и кристаллизации областей, моди-
фицированных ионным пучком, в потоке мышьяка. Результаты проведенных экспериментальных
исследований свидетельствуют о том, что для получения высокосимметричных пирамидальных
углублений с низкой поверхностной плотностью требуется создание на поверхности GaAs(111)
массива точек обработки фокусированного ионного пучка с интервалом 2 мкм при времени воз-
действия 5 мс и количестве проходов, равном 40. На следующем этапе необходима трансформа-
ция точек обработки ионного пучка в углубления пирамидальной формы посредством отжига
подложки в камере молекулярно-лучевой эпитаксии при температуре 600°С и временном интерва-
ле 60 минут. Предложенная в работе методика, основанная на комбинации процессов ионно-
лучевой обработки поверхности и молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяет получить наноуглуб-
ления с требуемой симметрией, которые в дальнейшем могут служить центрами зарождения
квантовых точек InAs с заданными свойствами

Литература

1. Valeri M., Barigelli P., Polacchi B., Rodari G., Santis G., Giordan T., Carvacho G., Spagnolo N.,
Sciarrino F. Generation and characterization of polarization-entangled states using quantum dot
single-photon sources, Quantum Sci. Technol., 2024, Vol. 9 (2), pp. 025002.
2. da Silva S.F.C., Undeutsch G., Lehner B., Manna S., Krieger T., Reindl M., Schimpf C., Trotta R.,
Rastelli A. GaAs quantum dots grown by droplet etching epitaxy as quantum light sources, Applied
Physics Letters. AIP Publishing LLC, 2021, Vol. 119 (12), pp. 120502.
3. Ahmadi A., Fognini A., E. Reimer M. Toward On-Demand Generation of Entangled Photon Pairs with
a Quantum Dot, Recent Advances in Nanophotonics - Fundamentals and Applications. IntechOpen,
2020.
4. Vajner D.A., Holewa P., Zięba-Ostój E., Wasiluk M., von Helversen M., Sakanas A., Huck A., Yvind K.,
Gregersen N., Musiał A., Syperek M., Semenova E., Heindel T. On-Demand Generation of
Indistinguishable Photons in the Telecom C-Band Using Quantum Dot Devices, ACS Photonics, 2024,
Vol. 11 (2), pp. 339-347.
5. Zeuner K.D., Jöns K.D., Schweickert L., Reuterskiöld Hedlund C., Nuñez Lobato C., Lettner T.,
Wang K., Gyger S., Schöll E., Steinhauer S., Hammar M., Zwiller V. On-Demand Generation of
Entangled Photon Pairs in the Telecom C-Band with InAs Quantum Dots, ACS Photonics, 2021,
Vol. 8 (8), pp. 2337-2344.
6. von Helversen M., Haisler A.V., Daurtsev M.P., Dmitriev D.V., ToropovA.I., Rodt S., Haisler V.A.,
Derebezov I.A., Reitzenstein S. Triggered Single‐Photon Emission of Resonantly Excited Quantum
Dots Grown on (111)B GaAs Substrate, Phys. status solidi – Rapid Res. Lett., 2022, Vol. 16 (8).
7. Tuktamyshev A., Fedorov A., Bietti S., Vichi S., Zeuner K. D., Jöns K. D., Chrastina D., Tsukamoto S.,
Zwiller V., Gurioli M., Sanguinetti S. Telecom-wavelength InAs QDs with low fine structure splitting
grown by droplet epitaxy on GaAs(111)A vicinal substrates, Appl. Phys. Lett., 2021, Vol. 118 (13).
8. Zieliński M. Vanishing fine structure splitting in highly asymmetric InAs/InP quantum dots without
wetting layer, Sci. Rep., 2020, Vol. 10, pp. 13542.
9. Świderski M., Zieliński M. Electric field tuning of excitonic fine-structure splitting in asymmetric
InAs/InP nanowire quantum dot molecules, Phys. Rev. B, 2019, Vol. 100, pp. 235417.
10. Pelucchi E. On the multifaceted journey for the invention of epitaxial quantum dots, Prog. Cryst.
Growth Charact. Mater., 2023, Vol. 69 (2–4), pp. 100603.
11. Lozano M.S., Gómez V.J. Epitaxial growth of crystal phase quantum dots in III–V semiconductor
nanowires, Nanoscale Adv., 2023, Vol. 5(7), pp. 1890-1909.
12. Nishimura Y. et al. Photolithography, Flat Panel Display Manufacturing. Wiley, 2018, pp. 287-310.
13. Pease R.F.W. Electron beam lithography, Contemp. Phys., 1981, Vol. 22 (3), pp. 265-290.
14. Chen Y. Nanofabrication by electron beam lithography and its applications: A review, Microelectron.
Eng., 2015, Vol. 135, pp. 57-72.
15. Mano T., Ohtake A., Kuroda T. Lattice‐Mismatched Epitaxy of InAs on (111)A‐Oriented Substrate:
Metamorphic Layer Growth and Self‐Assembly of Quantum Dots, Phys. status solidi, 2024.
16. Schliwa A. et al. In(Ga)As/GaAs quantum dots grown on a (111) surface as ideal sources of entangled
photon pairs, Phys. Rev. B, 2009, Vol. 80 (16), pp. 161307.
17. Balakirev S.V., Solodovnik M.S., Eremenko M.M., Chernenko N.E., Ageev O.A. Anomalous behavior
of In adatoms during droplet epitaxy on the AlGaAs surfaces, Nanotechnology, 2020, Vol. 31 (48),
pp. 485604.
18. Balakirev S.V., Solodovnik M.S., Ageev O.A. Hybrid Analytical-Monte Carlo Model of In/GaAs(001)
Droplet Epitaxy: Theory and Experiment, Phys. status solidi, 2018, Vol. 255 (4), pp. 1700360.
19. Xu H.Y. Effects of annealing and substrate orientation on epitaxial growth of GaAs on Si, J. Appl.
Phys., 2009, Vol. 106 (8).
20. Vina L., Wang W.I. AlGaAs/GaAs(111) heterostructures grown by molecular beam epitaxy, Appl.
Phys. Lett., 1986, Vol. 48 (1), pp. 36-37.
21. Schowalter L.J., Yang. K., Thundat T. Atomic step organization in homoepitaxial growth on
GaAs(111)B substrates, J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 12, pp. 2579-2583.