1.3. Квантовые нити

С

Рис. 1.8. Гетероструктуры с квантовыми нитями, полученные с помощью субмикронной литографии за счет вытравливания узкой полоски из самой структуры (а) или щели в затворе Шоттки (б) [1].

1 – AlGaAs; 2 – GaAs; 3 – электронный газ; 4 – металлический затвор.

труктуры, в которых движение носителей заряда является свободным только вдоль одной из осей, а вдоль других двух ограничено двумерной квантовой ямой, называются квантовыми нитями или проволоками (КН). Таким образом, энергетический спектр, связанный с движением носителей заряда поперек квантовой нити является дискретным за счет размерного квантования, а связанный с движением вдоль нити является непрерывным. Носители заряда в таких структурах представляют собой одномерный электронный газ. Материалом для создания квантовых нитей служат, в основном, одиночные гетероструктуры. С помощью литографической процедуры движение двумерных носителей заряда в ней ограничивается еще в одном направлении. Достигается это либо «вырезанием» узкой полоски с двумерным газом (рис. 1.8 а), либо нанесением на поверхность структуры слоя из металла, создающего с полупроводником контакт Шоттки и имеющего узкую щель (рис. 1.8 б). В последнем случае поле на контакте выталкивает двумерные носители заряда в область под щелью, создавая тем самым одномерный газ. Изменяя это поле с помощью напряжения, подаваемого на металлический контакт, можно менять толщину квантовой нити и концентрацию носителей заряда в ней.

1.4. Квантовые точки

Квантовыми точками (КТ) или ящиками называются структуры, в которых движение носителей заряда ограничено по всем трем координатам, т.е. носители заряда находятся в трехмерной потенциальной яме. За счет размерного квантования энергетический спектр носит атомный характер. Газ носителей заряда в таких структурах называется нульмерным.

Рис. 1.9. Квантовые точки, сформированные в двумерном электронном газе на границе двух полупроводников [12].

Одним из способов создания квантовых точек, как и квантовых нитей, является метод субмикронной литографии. Для этого на двумерной структуре нужно изменить картинку травления, при которой остаются нетронутыми отдельные полосы для нитей, на картинку, при которой остаются отдельные кружки или другие плоские фигуры. Либо наоборот вытравливать в металлическом покрытии гетероструктуры отдельные плоские области, соответствующие квантовым точкам (см рис. 1.9). Недостатком методов субмикронной литографии являются то, что они являются достаточно дорогими и имеют естественные ограничения по боковым размерам создаваемых точек по сравнению с ее размерами вдоль оси роста гетероструктуры.

Рис. 1.10. Система самоупорядоченных квантовых точек InAs

на поверхности GaAs [1].

Перспективными способами создания квантовых точек являются методы, использующие эффекты самоорганизации, где наноструктуры определенных размеров формируются сами, под влиянием внутренних сил, действующих в процессе роста. Одним из примеров этих методов является выращивание квантовых точек из пересыщенного раствора в стеклянной матрице. Процесс формирования зародышей кристаллов в этом методе будет определяться диффузией полупроводниковых атомов к центрам роста. Вначале рост зародышей со временем будет монотонным и размеры их будут различны, но затем, когда пересыщение уменьшится, начнется перераспределение атомов между зародышами, приводящее к выравниванию их размеров. Вторым примером является метод формирования слоя квантовых точек при гетероэпитаксии полупроводников с большим рассогласованием параметров решетки. На начальной стадии роста подобной структуры, когда количество осаждаемых атомов полупроводника на подложку еще недостаточно для ее полного покрытия, они образуют на подложке отдельные островки. Под влиянием упругих напряжений на гетерогранице и сил поверхностного натяжения на внешних поверхностях островков, все они имеют одинаковые размеры, обычно в несколько нанометров, и образуют периодическую решетку на поверхности подложки. Если ширина запрещенной зоны полупроводника этих островков меньше ширины запрещенной зоны подложки, островки представляют собой квантовые точки (рис. 1.9).