8.4. Структуры с одномерным электронным газом (квантовые нити).

П олучение квантовых структур с эффективной размерностью меньше двух (квантовых нитей и точек) является более сложной задачей, чем технология двумерных систем, описанных в предыдущем разделе. Наиболее распространенным способом ее решения является субмикронная литография. При этом исходным объектом является структура с двумерным газом, чаще всего одиночная гетероструктура, показанная на рис. 8.3.2. Она подвергается литографической процедуре, в ходе которой движение электронов ограничи-вается еще в одном из направлений. Для этого могут быть использованы два различных подхода .

Наиболее очевидный из них – это непосредственное «вырезание» узкой полоски с помощью литографической техники (рис. 8.4.1,а). При этом для получения электронных нитей шириной в десятки нанометров, где квантование энергии электронов будет заметным, не обязательно делать полоски столь малой ширины, что представляет собой нелегкую технологическую задачу. Дело в том, что на боковых гранях вытравленной полоски, как и на свободной поверхности полупроводника, образуются поверхностные состояния, создающие, как правило, слой обеднения. Этот слой вызывает дополнительное сужение проводящего канала, в результате чего квантовые эффекты можно наблюдать и в полосках большей ширины–порядка десятой доли микрона.

Можно поступить и иначе. Поверхности полупроводниковой структу-ры с двумерным газом покрывают металлом, создающим с полупроводником контакт Шоттки и имеющим узкую щель (рис. 8.4.1, б). Если гетерограница находится достаточно близко от поверхности, то двумерные электроны будут отсутствовать всюду, кроме узкой области под щелью. Такой тип одномер-ной структуры обладает дополнительным преимуществом: меняя напряже-ние на металлическом затворе, мы можем управлять эффективной шириной квантовой нити и концентрацией носителей в ней.

С уществуют и другие методы создания квантовых нитей. Способ, изложенный в работе , использовался для создания лазеров на структурах с квантовыми нитями. На подложке широкозонного полупроводника (например, AlGaAs) была сделана узкая канавка (или серия параллельных узких канавок) треугольного сечения (рис. 8.4.2). При эпитаксиальном выращивании на такой подложке квантовой ямы, т. е. тонкого слоя узкозон-ного полупроводника (GaAs), а затем снова широкозонного материала, толщина слоя GaAs на плоской части подложки (а₀) будет меньше, чем в канавке (а). Поэтому, в согласии с (8.1.3), размерно-квантованные энергети-ческие уровни внутри канавки расположены ниже, чем в остальной части слоя GaAs. Это означает, что носители заряда (как электроны, так и дырки) при невысокой их концентрации будут стремиться локализоваться на квантовых уровнях в пределах канавки, образуя вдоль нее квантовую нить.

8.5. Структуры с нуль-мерным электронным газом

(квантовые точки).

Принципы создания квантовых нитей, описанные в предыдущем разделе, могут быть также применены и для создания квантовых точек. Для этого фактически требуется лишь изменить картинку, вытравливаемую на двумерной структуре с помощью субмикронной литографии. В случае кван-товых нитей она представляла собой систему узких полосок. В случае кван-товых точек речь идет об отдельных кружках (или иных изолированных плоских фигурах) субмикронного размера, которые либо оставляются нетро-нутыми, если используется метод прямого вытравливания, как на рис. 8.4.1,а, либо, наоборот, вытравливаются в металлическом покрытии для структур с контактом Шоттки, показанных на рис. 8.4.1,б.

Следует заметить, что методы субмикронной литографии достаточно дороги и имеют естественные ограничения по размерам, не позволяя полу-чать структуры с предельно малым боковым ограничением, таким же как в направлении роста. Поэтому в технологии квантовых нитей и особенно квантовых точек усиленно ведется поиск альтернативных методов получения таких структур. Особенно привлекательной выглядит возможность использо-вания эффектов самоорганизации, где наноструктуры определенных разме-ров формируются сами, под влиянием внутренних сил, действующих в процессе роста. Известны два основных способа формирования квантовых точек подобным образом.

Первый способ состоит в выращивании полупроводниковых на-нокристаллов с характерными размерами в единицы и десятки нанометров. Существует ряд технологических приемов, позволяющих этого добиться. Например, при выращивании полупроводников из пересыщенного раствора в стеклянной матрице процесс формирования зародышей будет определяться диффузией полупроводниковых атомов к центрам роста. Вначале зародыши растут монотонно со временем, но затем, когда пересыщение падает, начинается перераспределение атомов между различными зародышами, приводящее к выравниванию их размеров и формированию достаточно узкой функции их распределения. В результате можно получить большое количество почти одинаковых нанокристаллов с размерами, требуемыми для наблюдения квантовых размерных эффектов, «вмороженных» в стеклянную матрицу. Возможно получать нанокристаллы и в иных прозрачных твердых и жидких средах. Наиболее часто подобным методом получают нанокристаллы полупроводниковых соединений II—VI (CdS, CdSe и др.).

Суть второго способа заключается в формировании слоя квантовых точек при гетероэпитаксии полупроводников с большим рассогласованием параметров решетки. Наиболее распространенной системой здесь является пара GaAs-InAs, для которой параметры решетки отличаются на 7 %. С точки зрения эпитаксии это очень большое рассогласование, и при выращивании достаточно толстого слоя InAs на подложке GaAs мы получили бы сильно дефектную гетерограницу с большой плотностью дислокаций несоответ-ствия. Однако если толщина слоя составляет лишь несколько периодов решетки, энергетически более выгодно деформировать слой, сделав период его решетки таким же, как у подложки, нежели образовывать дислокации несоответствия. Сейчас же для нас важно другое обстоятельство. На начальной стадии роста подобной структуры, когда количество атомов InAs еще недостаточно для полного покрытия подложки, они образуют на подложке отдельные островки. Совместное влияние упругих напряжений на гетерогранице и сил поверхностного натяжения на внешних поверхностях островков приводит к тому, что все островки имеют одинаковые размеры, обычно в несколько нанометров, и образуют периодическую решетку на поверхности подложки. Поскольку ширина запрещенной зоны в InAs значительно меньше, чем в GaAs, то эти островки представляют собой трехмерные потенциальные ямы для носителей, или, иными словами, к вантовые точки.

На рис. 8.5.1 показано изображение самоупорядоченной структуры с квантовыми точками InAs на поверхности GaAs, полученное с помощью атомарно-силового микроскопа.