6.2.5. Структуры на основе квантовых точек и проволок
Квантовая нить (проволока) - одномерный (1D) объект. Движение электронов ограничено вдоль осей y и z размерами dy и dz соответственно и не ограничено вдоль оси x (рис.6.11). Сечение квантовой проволоки может быть и иным, чем это изображено на рис. 6.11. Потенциальная яма для свободных электронов в нити двухмерна.
Квантовая точка - нульмерный (0D) объект (рис. 6.12, а). Движение электронов ограничено в трех измерениях - x, y, z. Пример - нанокристаллики одного материала на поверхности растущего эпитаксиального слоя другого материала на рис. 6.12, б. Форма квантовой точки может отличаться от кубической.
Потенциальная яма для квантовой точки трехмерна. Упорядоченные самоорганизованные массивы квантовых точек были получены при обработке лазерных структур методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ).
Рис. 6.11. Схематическое представление одномерного нанообъекта (а) и изображение квантовых проволок толщиной 2-4 нм в виде окисленных медных проволок на поверхности молибдена (б)
Однако для одноэлектронных устройств (транзисторов, элементов памяти и других) нужны одиночные квантовые точки. Квантовые проволоки необходимы для некоторых оптоэлектронных структур (например, лазерных). В полупроводниковых материалах квантовые проволоки и точки вырезаются из структур с квантовыми ямами. Для этой цели прямо или косвенно используется нанолитография.
Рис. 6.12. Схематическое представление одномерного нанообъекта (а) и изображение германиевой квантовой точки на поверхности кремния, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа (б); (длина стороны основания пирамиды ~10 нм, высота - 1,5 мм)
По способу формирования квантовые точки и проволоки делятся на постоянные и индуцированные.
На рис. 6.13 приведена схема, поясняющая процедуру формирования постоянных квантовых точек методом пространственного выделения локальных круговых участков квантовой ямы. Используется квантовая яма, возникающая у гетероперехода GaAs-AlGaAs. На поверхность структуры одним из методов нанолитографии наносится система окружностей из фоторезиста (рис.6.13, а), диаметр окружностей - наноразмерный. Участки фоторезиста служат масками для травления. Производится глубинное травление верхней части композиции - удаляется весь слой AlGaAs и частично GaAs (рис. 6.13, б). Электроны 2D - газа оказываются запертыми в образовавшихся цилиндрах. Аналогичным образом из квантовой ямы вырезаются квантовые проволоки.
Индуцированные квантовые точки и проволоки также вырезаются из квантовых ям с 2D- электронным газом, но ограничение движения электронов по одному или двум направлениям в квантовой яме производится при помощи обедненных областей, создаваемых специальными затворами. На рис. 6.14 показана схема одноэлектронного транзистора, работающего на одной индуцированной квантовой точке. Схема поясняет способ формирования квантовой точки (острова) с помощью специальной системы затворов.
Рис.6.13. Схема метода формирования квантовых точек посредством вырезания цилиндрических областей в структуре гетероперехода GaAs- AlGaAs с квантовой ямой: а - композиция GaAs- AlGaAs после нанесения резиста, экспонирования и проявления резиста; б - композиция после глубинного травления
Рис.6.14. Схема одноэлектронного транзистора на одной индуцированной квантовой точке
Рис.6.15. Схема метода получения индуцированной квантовой проволоки
На поверхность гетероструктуры GaAs- AlGaAs (1), содержащей квантовую яму с 2D- газом (гетеропереход), нанесена система металлических электродов 2-5, играющих роль затворов. На электроды 2,3,4 подается отрицательное смещение. В результате отталкивания электронов 2D - газа вокруг этих электродов образуются обедненные области, границы которых показаны на рисунке пунктиром. Обедненные области отделяют квантовую точку с электронным газом (6 - в центре рисунка) от остального 2D - газа. Индуцированная квантовая точка служит островом, обедненные области - туннельными барьерами. Электрод 5 (затвор) используется для изменения энергии острова относительно остального 2D - газа. Размер квантовой точки составляет ~100 нм. При температурах менее 1K в такой структуре могут возникать осцилляции кулоновской блокады.
Следует отметить, что размеры квантовых точек, формируемых рассмотренными методами, относительно велики, и дискретность их энергетического спектра может проявляться только при очень низких температурах.
Аналогичным образом, с использованием обедненных областей в 2D - газе, можно формировать индуцированные квантовые проволоки. Схема метода показана на рис. 6.15. На рисунке: 1 и 2 - это металлические электроды, 3 - затворы, 4 - область 2D - электронного газа. Подачей отрицательных потенциалов на затворы в 2D - газе создаются обедненные области (их границы обозначены пунктиром). Сужение между ними представляет собой квантовую проволоку, диаметр которой можно регулировать величиной смещения на затворах.