MBE 성장 Ga 액적의 In-situ UV 펄스 레이저 조사로 빠른 크기 재구성

초록

GaAs (001) 기판 상의 MBE 제조 갈륨(Ga) 액적 표면을 단일 UV 펄스 레이저 샷으로 in-situ 조사했습니다. 레이저 조사로 Ga 액적의 크기를 용이하게 재조정할 수 있으며, 폭 16~230 nm, 높이 1~42 nm의 극도로 넓은 크기 분포를 가진 특수한 Ga 액적을 성공적으로 얻었습니다. 레이저 스팟 전반에 걸친 에너지 불균일성 덕분에 조사 강도(IRIT)에 따른 액적 수정을 한 시편에서 직접 조사하고 관련 메커니즘을 규명했습니다. 체계적으로 레이저 리사이징은 다음과 같이 인식됩니다: 낮은 조사 레벨에서는 레이저 가열만으로 액적이 팽창하여 이들 간의 병합을 유도하므로 이 단계에서는 액적 크기 분포가 큰 쪽으로만 이동합니다; 높은 조사 레벨에서는 레이저 조사가 열팽창뿐만 아니라 Ga 원자의 열증발도 유발하여 크기 이동이 양쪽으로 일어납니다. 이러한 모든 Ga 액적의 크기 이동은 서로 다른 레이저 IRIT 적용으로 강력하게 제어 가능하여 향후 더 설계 가능한 액적 에피택시를 가능하게 합니다.

서론

현재 기초 물리학과 실용 응용의 발전 증가에 따라 다양한 소자 달성이 요구되고 있습니다. 금속 나노입자 적용으로 다양한 소자와 구조를 구축할 수 있음이 널리 입증되었습니다[1-5]. 중요한 대표주자인 액적 에피택시는 1991년 Koguchi 등에 의해 제안된 이래[6] 거의 모든 종류의 저차원 나노구조(양자점[7, 8], 양자링[9-11], 양자선[12, 13] 등)를 포괄할 수 있어 전 세계적 연구 관심과 노력을 지속적으로 끌어모았습니다. 특히 최근 양자점 쌍[14, 15], 양자점 분자[16, 17], 이중 링[18], 다중 동심 링[19, 20] 같은 매우 독특한 구조들도 액적 에피택시로 성공적으로 구현되었습니다. 일반적으로 액적 에피택시는 금속 액적의 사전 형성과 후속 결정화의 두 단계를 결합합니다[21, 22]. 액적 형성 단계에서의 액적 크기 제어는 액적 에피택시 전체의 핵심 포인트인데, 이는 최종 양자 구조의 크기를 직접 결정할 뿐만 아니라 액적이 어떤 종류의 나노구조로 발전할지 정의하기 때문입니다. 예를 들어, 액적 크기 조절로 양자점과 양자링 간의 빠른 전환이 민감하게 유발될 수 있으며, 앞서 언급한 다중 동심 링은 상당히 큰 크기의 Ga 액적에 독점적으로 구축됩니다. 잘 알려진 바와 같이 온도는 액적 크기 조절의 가장 본질적인 요소로, 액적을 키우려면 온도를 높여야 합니다[23, 24]. 일반적으로 Fuster 등은 500°C까지 온도를 높여 높이 45 nm, 폭 240 nm의 거대한 Ga 액적을 성공적으로 얻었습니다[25]. 그러나 온도 상승은 기판으로의 액적 식각을 급격히 심화시킵니다[26-29]. 이러한 나노 드릴에 의해 액적의 원소가 후속 결정화 전에 소모되고, 액적 아래에 기생 구조인 나노 홀이 발달하여 목표 양자 구조를 오염시킬 수 있습니다. Zh. M. Wang 등은 As 공급 없이 500°C에서 80초 어닐링만으로 Ga 액적이 완전히 사라지고 화산형 나노 홀로 대체됨을 입증했습니다[30]. 분명히 온도 상승은 액적을 파괴할 수 있지만, 더 크게 키우려면 그렇게 해야 하는 모순이 기존 액적 에피택시에 존재합니다. 따라서 온도 독립적으로 액적 크기를 수정할 기술을 찾는 것은 큰 의미가 있습니다.

본 논문에서는 밀도 4.1 × 10¹⁰/cm², 폭 37~65 nm, 높이 4~9 nm의 초기 형태를 가진 Ga 액적들을 GaAs (001) 기판(Sub) 상에 MBE로 제조한 후 즉시 자외선 펄스 레이저로 제조된 표면을 in-situ 조사했습니다. 인상적으로 레이저 조사는 액적 크기를 잘 수정하며, LIR(레이저 조사)에 의한 리사이징 원리를 체계적으로 제시합니다. 조사 후 액적의 높이와 폭 범위가 각각 1~42 nm, 16~230 nm로 확대되어, 매우 낮은 온도 180°C에서 폭 230 nm, 높이 42 nm의 극대형 액적을 직접 달성했습니다. 따라서 안전성과 효율성을 모두 갖춘 액적 리사이징 기술을 보고합니다. 이는 현재 액적 에피택시에 크기 제어의 큰 자유도를 부여하여 더 실현 가능하고 유연하게 만듭니다.

실험 방법

실험은 레이저 뷰포트를 장착한 특수 설계된 MBE에서 수행되어 펄스 레이저 빔을 챔버 내로 in-situ 도입했습니다. 현재 이 프로토타입 시스템에는 인듐(In), Ga, As 3개의 소스 셀만 설치되어 있습니다. 성장 온도는 보정된 파이로미터로 모니터링합니다. 성장 모니터링을 위해 반사 고에너지 전자 회절도 포함됩니다. 먼저, 탈산화된 GaAs (001) 2인치 1/4 기판을 600°C에서 300 nm GaAs 버퍼 층으로 코팅하고 As₂의 BEP를 7.6 × 10⁻⁶ Torr로 설정했습니다. 그런 다음 As 밸브를 완전히 닫고 기판 온도를 일시적으로 400°C로 낮춰 여분의 As 원자가 액체 질소 콜드 트랩에 충분히 포착되도록 하고 표면의 As 흡착을 방지했습니다. As 분위기 압력이 약 1.2 × 10⁻⁹ Torr로 감소하여 성장 전 얻을 수 있는 최적 압력((9.5~11) × 10⁻¹⁰ Torr)과 거의 같아져 잔류 As₂를 피할 수 있을 때까지 기다린 후, 기판 온도를 180°C로 더 낮춰 Ga 성장 속도 0.168 ML/s, 총 증착 두께 4 ML로 액적을 각각 형성했습니다. Ga 액적 성장이 완료되자마자, 35 mJ 에너지의 주파수 3배 Nd:YAG 레이저(파장: 355 nm/펄스 지속시간: 10 ns) 단일 모노빔 샷으로 시편을 in-situ 조사했습니다. 조사 후 시편을 즉시 꺼내 탭핑 모드 AFM으로 표면 형태 테스트를 수행했습니다. 레이저 스팟(직경 6 mm)이 1/4 2인치 기판보다 훨씬 작기 때문에 비조사 영역(NIR)과 조사 영역(IR)을 함께 비교할 수 있습니다. IR의 경우 레이저 스팟이 가우시안 유사 강도 분포를 가지므로 조사 강도(IRIT)에 따른 액적 형태 진화를 이 한 시편에서 한꺼번에 관찰할 수 있습니다. 따라서 후속 논의에서 IRIT 순서인 E_IR1 < E_IR2 < E_IR3 < E_IR4 < E_IR5로 정의된 5개 대표 위치(조사-1(IR1)부터 조사-5(IR5))를 IR에서 분석용으로 선택했으며, 레이저 스팟과 관련된 정확한 위치는 그림 1의 상단 도면에 표시했습니다. IR5 위치는 레이저 스팟 중심(0-위치 표시)에 해당하며, 이후 오른쪽으로 선형 스캔하여 0.5 mm 이동마다 AFM 이미지를 촬영했습니다(IR4-IR1 순서). 마지막으로 스팟 밖으로 완전히 이동하여 NIR(즉, 제조된 Ga 액적의 원래 형태)로 정의된 AFM 이미지를 촬영했습니다.

결과 및 고찰

그림 1a-f는 각각 NIR과 IR1-IR5의 액적 AFM 형태 결과를 보여줍니다. (g-l)과 (m-r)은 각각 폭과 높이 분포의 히스토그램입니다. 액적이 180°C의 낮은 온도에서 제조되었으므로, NIR(그림 1a)에서 원래 밀도는 4.1 × 10¹⁰/cm²에 달하며 폭과 높이는 모두 전형적인 가우시안 분포를 보이며 주요 최빈값은 각각 45~55 nm와 4~8 nm입니다(그림 1g, m). 최대 및 최소 크기는 각각 ~65 nm 폭/~9 nm 높이와 ~37 nm 폭/~4 nm 높이에 해당합니다. IR1(그림 1b)의 액적은 NIR과 매우 유사합니다. 그림 1h와 (g) 또는 (n)과 (m) 비교 시 뚜렷한 변화를 구별할 수 없습니다. IR1의 액적은 NIR과 동일한 최대 및 최소 크기를 가집니다. 반면 IR2(그림 1c)와 IR3(그림 1d)에서는 레이저 조사로 액적 크기가 수정되기 시작합니다. 표면에 일부 확대된 액적이 나타나며 밀도가 감소합니다. 특히 IR3에서는 이전 최대 폭(65 nm)을 초과하는 액적 비율이 55%(그림 1j)에 달하고, 이전 최대 높이(9 nm)를 초과하는 비율은 37%(그림 1p)에 해당합니다. 동시에 총 밀도는 원래 밀도의 1/3로만 감소했습니다. 전반적으로 레이저 리사이징 후 IR2와 IR3 중 어느 쪽이든 액적 크기 분포는 큰 쪽으로만 이동합니다. 즉, NIR의 원래 분포에서 작은 쪽의 액적은 관찰되지 않습니다. 그러나 IR4와 IR5의 액적에서는 분포가 큰 쪽으로 이동할 뿐만 아니라 작은 쪽으로도 확장됩니다: 그림 1e, f는 IR4와 IR5 결과를 보여주며, 지속적인 밀도 감소와 함께 그림 1k-l, q-r에서 액적 크기 분포가 큰 쪽으로 더 이동함을 명확히 볼 수 있습니다. 특히 IR5에서는 최대 액적(폭: 230 nm/높이: 42 nm)이 NIR의 최대 액적(폭: 65 nm/높이: 9 nm)의 거의 4배 크기이며, 이렇게 낮은 온도에서 이 정도 큰 크기는 타 보고에서 찾아볼 수 없습니다. 게다가 원래 최소 크기 아래의 몇 개의 작은 액적도 생성되며, 일부는 폭 16 nm, 높이 1 nm의 초미니 크기입니다. 따라서 IRIT에 따른 Ga 액적의 레이저 수정 진화가 완전히 관찰되었으며, 레이저 조사가 Ga 액적을 용이하게 리사이징할 수 있음을 잘 입증합니다.

위 실험 데이터를 해석하기 위해, 먼저 NIR과 IR1-IR4에서 선택된 5개 부분 영역을 확대하여 그림 2a-e에 각각 도시했습니다. 둘째, NIR과 IR1-IR5의 Ga 액적 등가 부피(EV)를 추가로 계산했습니다. 계산에서 Ga 액적의 단면 프로파일은 구면 캡 모드로 근사 가정했습니다[26], 그러면 각 액적의 부피는 다음 공식으로 주어집니다.

V = πr³(2 - 3cosθ + cos³θ) / 3sin³θ (1)

여기서 r은 액적 반경, θ는 접촉각입니다. 마지막으로 NIR과 IR1-IR5의 EV는 그림 1a-f의 모든 액적 부피를 합산하여 산출했습니다. 그림 2f는 정규화된 EV 결과(삼각형)와 정규화된 밀도 데이터(사각형)도 포함합니다. 그러면 레이저 리사이징의 전체 진화를 세 단계로 나눌 수 있습니다: 제1단계(NIR-IR1): NIR의 원래 액적들(그림 2a)은 매우 가깝게 서로 인접해 있으며 각 액적 주변은 맑고 평평합니다(그림 참조), 이는 그림 2a'에 개략적으로 나타냈습니다. IR1(매우 낮은 강도 조사)의 경우 NIR과 비교하여 크기 분포, 밀도, EV가 거의 변하지 않지만, 액적을 둘러싸는 나노링 구조가 새로 나타나 흰색 화살표로 표시했습니다(그림 2b). 이는 레이저 가열에 의한 액적 팽창에 기인한다고 봅니다. 그림 2b'와 같이 조사 후 레이저가 액적을 가열하여 팽창시킵니다(잘 알려진 열팽창). 그러나 팽창이 액적 병합을 일으킬 만큼 충분히 강하지 않습니다. 열이 소산되면 액적은 원래 평형 상태로 이완되지만 팽창의 흔적이 이완된 액적을 둘러싼 링 모양으로 남습니다(검은 화살표). 따라서 이 단계에서는 IRIT가 너무 약해 액적을 리사이징하지 못합니다; 제2단계(IR2-IR3): 그림 2c의 IR2에서 액적 병합의 실험적 증거가 관찰되어 노란 점선 직사각형으로 표시했습니다. 표시된 액적은 나노홀(흰색 화살표)과 인접해 있으며 NIR의 어떤 액적보다 훨씬 큰 70 nm 폭, 12 nm 높이 크기를 가집니다. 이는 두 액적의 병합으로 설명할 수 있습니다(그림 2c'): A_액적과 B_액적에 대해 IRIT가 증가하면 팽창이 강화되어 이들 간 교차 영역이 늘어나고, 더 많은 교차로 A_액적이 무작위로 B_액적에 병합되면서 동시에 A_액적이 미리 드릴링한 나노홀이 남습니다. IR2와 비교하여 그림 2d의 IR3에서는 세 개(노란 점선 직사각형/그림 2d') 또는 그 이상의 액적 병합이 발견되어 더 강한 레이저 리사이징 효과를 반영합니다. 따라서 IR2와 IR3의 크기 분포와 밀도 통계 데이터는 병합의 결과로 설명될 수 있습니다. 또한 그림 2f에서 볼 수 있듯 IR2와 IR3 모두 NIR과 같은 EV 수준을 유지하는 반면 밀도는 급격히 감소합니다. 이는 이 단계에서 레이저 조사가 Ga 원자 손실 없이 열팽창만으로 액적을 리사이징함을 의미합니다. 그러나 제3단계(IR4-IR5)에서는: 액적의 EV가 급격히 감소하기 시작합니다. 이는 LIR이 액적을 팽창시킬 뿐만 아니라 Ga 원자의 열증발을 동반함을 나타냅니다. 일단 IRIT가 특정 값을 초과하면 펄스 레이저가 액적을 순간적으로 Ga의 증발 임계값 이상으로 가열할 수 있습니다. 따라서 이 단계에서 액적 리사이징은 병합과 증발에 의해 공동 지배됩니다. 그림 2e'는 이 상호작용을 보여줍니다: 병합이 열증발에 의한 Ga 손실을 보상하지 못하면 액적 크기가 감소합니다(그림 2e의 미니 액적 참조), 그렇지 않으면 증가합니다. 특히 특정 확률 하에서 다중 액적 병합으로 거대한 액적이 생성될 수 있습니다(그림 2e의 거대 액적 참조). 이러한 경쟁은 IR4와 IR5의 크기 이동이 양쪽으로 특별히 확장되는 이유를 잘 설명합니다. 지금까지 in-situ 펄스 LIR에 의한 액적 리사이징이 성능과 원리 양면에서 잘 조사되었습니다. 연구를 더 체계적으로 하기 위해 추가로 두 가지 설계된 실험을 수행했습니다.

한편, 열팽창 유도 병합 원리에 따르면 IRIT 외에도 액적 간 거리, 즉 액적 밀도가 또 다른 핵심 매개변수입니다. 그림 3a와 같이 두 액적을 더 큰 간격으로 분리하면(d1에서 d2로), 동일한 열팽창 동안 교차 영역이 줄어들어 병합이 상대적으로 억제되어야 합니다. 따라서 280°C에서 새로운 액적 시료를 제조했습니다. 온도 상승으로 NIR(그림 3b)의 액적 밀도가 5 × 10⁹/cm²로 급격히 감소하여 180°C 시료의 약 1/8이 되었으며 액적 간 간격이 효과적으로 확대되었습니다. 조사 후 그림 3c에서 볼 수 있듯 액적은 여전히 NIR과 동일한 밀도를 가지지만 매우 뚜렷한 인접 링들로 둘러싸여 있습니다(흰색 화살표). 이는 강한 열팽창에도 불구하고 병합이 실제로 방지됨을 반영하여 우리 설명을 강력히 뒷받침합니다.

한편, 본 연구에서 관찰된 나노홀(그림 4a)은 깊이가 서브나노미터(3원자 층 미만)로 매우 얕습니다(인셋 참조). 인상적으로 액적의 드릴 효과가 엄격히 억제되어 거의 무시할 수 있으며, 이는 낮은 기판 온도 덕분입니다. 액적의 온도 상승에 따른 나노 드릴의 잠재적 위험을 제시하기 위해 350°C의 고온에서 또 다른 시료를 제조했습니다. 성장 완료 후 기판 온도를 즉시 내리지 않고 동일 온도에서 2분만 짧게 중단 후 급속 냉각했습니다. 그림 4b는 형태 결과를 보여주며, 심각한 드릴 효과가 발생하여 액적을 심하게 파괴했음을 볼 수 있습니다. 일부 액적(화살표)은 완전히 침식되어 나노홀로 대체되었으며 식각 깊이는 수 나노미터입니다(인셋 참조). 반대로 그림 4c에서 제안하듯 180°C에서 제조된 액적은 15분이라는 긴 중단 후에도 안정적으로 유지됩니다.

결론

결론적으로 180°C에서 펄스 레이저로 Ga 액적에 대한 MBE in-situ 조사를 수행하여 레이저 조사가 액적 크기 분포를 용이하고 고효율로 조정할 수 있음을 입증했습니다. IRIT에 따른 액적 형태 진화를 면밀히 연구하고 관련 메커니즘을 체계적으로 규명했습니다: 낮은 조사 레벨에서는 액적 크기 분포가 큰 쪽으로만 이동하며, 이는 레이저 열팽창에 의한 액적 병합 단일 효과로 설명됩니다; 높은 조사 레벨에서는 크기 이동이 양쪽으로 특별히 확장되며, 이는 병합과 열증발 간의 경쟁 결과입니다. 여기서 우리는 기판으로의 액적 식각을 거의 방지할 수 있는 저온에서 펄스 레이저 조사를 이용해 in-situ로 액적을 리사이징하는 기술을 보고했습니다. 분명히 우리 기술은 오염, 산화, 손상 없이 일반적인 액적 에피택시 솔루션과 아름답게 호환됩니다. 특히 언급할 만한 것은 단일 빔 조사를 다중 빔 간섭 조사로 업그레이드하면 향후 더 제어된 액적 에피택시를 위해 액적 크기의 패턴화된 수정을 쉽게 실현할 수 있다는 점입니다.

데이터 및 재료 가용성

해당 없음.