Квантовые точки

3.1 Технология изготовления квантовых точек

Технологи разработали несколько способов получения квантовых точек. Эту структуру можно сформировать также как и квантовые нити, на границе раздела двух полупроводников, где находится двумерный электронный газ, или нанести дополнительные барьеры, ограничивающие движение электронов еще в одном или двух направлениях.

На рис. 5 показаны квантовые точки, созданные на границе раздела арсенида галлия и арсенида алюминия–галлия. В процессе роста в полупроводник AlGaAs были введены дополнительные примесные атомы. Электроны с этих атомов уходят в полупроводник GaAs, то есть в область с меньшей энергией. Но они не могут уйти слишком далеко, так как притягиваются к покинутым ими атомам примеси, получившим положительный заряд. Практически все электроны сосредоточиваются у самой гетерограницы со стороны GaAs и образуют двумерный газ. Процесс формирования квантовых точек начинается с нанесения на поверхность AlGaAs ряда масок, каждая из которых имеет форму круга. После этого производится глубокое травление, при котором удаляется весь слой AlGaAs и частично слой GaAs (это видно на рис. 5).

Рис. 5 - Квантовые точки, сформированные в двумерном электронном газе на границе двух полупроводников

В результате электроны оказываются запертыми в образовавшихся цилиндрах (на рис. 5 область, где находятся электроны, окрашена в красный цвет). Диаметры цилиндров имеют порядок 500 нм.

3.2 Особенность квантовых точек

В квантовой точке движение ограничено в трех направлениях и энергетический спектр полностью дискретный, как в атоме. Поэтому квантовые точки называют еще искусственными атомами, хотя каждая такая точка состоит из тысяч или даже сотен тысяч настоящих атомов. Размеры квантовых точек (можно говорить также о квантовых ящиках) порядка нескольких нанометров. Подобно настоящему атому, квантовая точка может содержать один или несколько свободных электронов. Если один электрон, то это как бы искусственный атом водорода, если два – атом гелия и т.д.

Кроме простого нанесения рисунка на поверхность полупроводника и травления для создания квантовых точек можно использовать естественное свойство материала образовывать маленькие островки в процессе роста. Такие островки могут, например, самопроизвольно образоваться на поверхности растущего кристаллического слоя.

В последнее время во многих лабораториях мира ведутся работы по созданию лазеров на квантовых точках.

5.Приготовление наноструктур

Одна из концепций создания наноструктур, получившая название «снизу — вверх», состоит в том, чтобы набрать, соединить и выстроить отдельные атомы и молекулы в упорядоченную структуру. Этот подход можно осуществить с помо­щью самосборки или некоторой последовательности каталитических химических реакций. Такие процессы широко распространены в биологических системах, где, например, катализаторы, называемые ферментами, собирая аминокислоты, формируют живые ткани, образующие и поддерживающие органы тела. В следу­ющей главе объясняется, как в природе возникает такое разнообразие вариантов самосборки.

Противоположная концепция формирования наноструктур обозначается «сверху - вниз». При таком подходе процесс начинается с обработки макро-масштабного объекта или структуры и состоит в постепенном уменьшении их размеров. Один из широко распространенных процессов этого класса называ­ют литографией. Он состоит в облучении образца, покрытого слоем, чувстви­тельным к такому воздействию, через некоторый шаблон. Затем этот шаблон удаляется, а на поверхности с помощью химической обработки формируют наноструктуру. Обычно в качестве вещества такого чувствительного слоя исполь­зуют полимер — полиметилметакрилат [С5О2Н8]n с молекулярной массой от 10s до 106 г/моль. На рис. 14.3 процесс литографии проиллюстрирован на примере получения квантовой проволоки или точки из квантовой ямы (например, слоя GaAs), расположенной на подложке как показано рис. 14.3а. Основные стадии этого процесса изображены на рис. 14.4. Сначала поверхность образца покрыва­ют радиационно-чувствительным слоем, называющимся резистом (рис. 14.4а). Затем его облучают в области желаемого расположения наноструктуры элек­тронным пучком. Это может осуществляться либо через маску (рис. 14.46), соот­ветствующую необходимой наноструктуре, либо путем сканирования электронным пучком, попадающим на поверхность только в требуемых местах. Об­лучение химически модифицирует незащищенные от него части чувствитель­ного слоя таким образом, что вещество этого слоя становится растворимым в специально подобранном проявителе. Таким образом, третья стадия.

F

F

Рис. 14.3. а) — Квантовая яма из арсенида галлия на подложке; б) — квантовая про­волока и квантовая точка, полученные методом литографии.

Рис. 14.4. Этапы формирования квантовой проволоки или точки методом электрон­но-лучевой литографии

а) — изначальная покрытая защитным слоем квантовая яма на подложке;

б) — облучение образца через маску;

в) — кон­фигурация после растворения проявителем облученной части радиацион-но-чувствительного защитного слоя;

г) — формирование маски для после­дующего травления;

д) — состояние после удаления оставшейся части чув­ствительного защитного слоя;

е) — состояние после стравливания частей материала квантовой ямы;

ж) — окончательный вид наноструктуры после удаления маски травления.

Процесс (рис. 14.4в) состоит в удалении облученных участков слоя с помощью химического травления. Четвертая стадия (рис. 14.4г) заключается в нанесении маски для травления в образовавшиеся на предыдущем этапе углубления в чувствительном слое. На пятой стадии (рис. 14.4д) удаляется оставшаяся часть этого слоя. На шестой стадии (рис. 14.4е) химическим травлением удаляются не закрытые маской участки слоя, составлявшего изначально квантовую яму, и остается квантовая структура, покрытая маской для травления. И наконец, если это необходимо, удаляется маска травления и остается требуемая квантовая структура (рис. 14.4ж), которая может быть квантовой точкой или проволокой, показанной на рис. 14.36. В электронно-лучевой литографии для облучения используется пучок электронов. В других типах литографии могут использоваться пучки нейтральных атомов (например, Li, Na, К, Rb, Cs), пучки ионов (например, Ga+) или электромагнитное излучение видимого, ультрафиолетового или рентгеновского диапазона. При использовании лазерного излучения с помощью удвоения и учетверения частоты удается достичь длин волн, удобных для формирования квантовых точек (например, λ ~ 150 нм). При лазерном облучении можно использовать фотохимическое травление.

С помощью литографии можно получать и более сложные квантовые структуры, чем представленные на рис. 14.36 квантовые проволоки и квантовые точки. Например, можно начать с многослойной структуры квантовых ям, показанной на рис. 14.5, покрыть ее чувствительным слоем и облучить через маску с шестью круглыми отверстиями, изображенную на рисунке сверху. После серии процедур, показанных на рис. 14.4, получится структура из 24 квантовых точек, расположен­ных в 6 столбиках (см. рис. 14.6). В каждом из них друг на друга уложены 4 кванто­вые точки. В качестве примера преимуществ изготовления массивов квантовых точек приведем такой экспериментальный результат: интенсивность фотолюми­несценции массива квантовых точек, спектр которой показан на рис. 14.7, более чем в 100 раз выше, чем для первоначальной многослойной структуры квантовых ям. Основной пик в спектре на рис. 14.7 относится к локализованным экситонам, как объяснено в параграфе 14.4.

Рис. 14.5. Четырехслойная конструкция из квантовых ям на подложке, покрытая чувствительным слоем. Сверху показана маска для облучения при лито­графии.

Рис. 14.6. Массив квантовых точек, полученный с помощью литографии из перво­начальной конфигурации, показанной на рис. 14.5. 24 квантовые точки расположены в шести столбиках по четыре штуки в каждом.

Увеличение интенсивности, показанное на рисунке, получено на образце, первоначально состоявшем из 15 периодов сверх­решетки из чередующихся слоев Si и Si0,7Ge0,3 трех-нанометровой толщины. За­тем они были обработаны так, чтобы сформировались массивы квантовых точек, уложенных в столбики высотой 300 нм и диаметром 60 нм, находящиеся на рас­стоянии 200 нм друг от друга.

Рис. 14.7. Спектр фотолюминесценции мас­сива квантовых точек диаметром 60 нм, полученных с помощью литографии, в сравнении с первоначальным спектром многослойной структуры квантовых ям. Выраженный пик на 0,7654 эВ возникает из-за локализованных экситонов (LE) в сверхрешетке (SL). Спектры снимались при температуре 4 К.