Лекции по гетеропереходам / курс лекций физика и технология полупроводниковых наноструктур / 18_Методы формирования КТ

Способы формирования массивов квантовых проволок и квантовых точек

Перечислим основные ожидаемые свойства инжекционного лазера на основе идеального массива квантовых точек:

1.Одночастотная генерация

2.Низкая пороговая плотность тока

3.Температурно-независимые характеристики

Вопрос к технологии – как сформировать массив полупроводниковых островков, который по своим характеристикам был бы наиболее близок к идеальному массиву квантовых точек.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 18, стр. 1

Требования к технологии формирования массивов КТ

1.Получение полупроводниковых островков в матрице более широкозонного материала – ограничение движения электронов во всех трех направлениях.

2.Островки в проводящей матрице – возможность токовой инжекции носителей заряда.

3.Размеры островков малы (d~10 нм) – проявление эффектов размерного квантования (в пределе единственный уровень разменного квантования).

4.Число точечных дефектов и дислокаций как на границе с матрицей, так и в самих квантовых точках мало – мал вклад безызлучательной рекомбинации в пороговую плотность тока.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 18, стр. 2

5.Большая энергия локализации основного состояния – заселение состояний матрицы мало и соответствующий вклад в Jth мал.

6.Высокая однородность островков по размерам – мало уширение ФПС, высокое дифференциальное усиление и насыщенное усиление.

7.Управляемая плотность массива – подбор оптимального сочетания насыщенного усиления и плотности тока прозрачности.

8.Возможность изменения положения уровня квантования для управления длиной волны излучения.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 18, стр. 3

На начальных этапах исследований, основные усилия были направлены на удовлетворение первых 4-х требований. Когда такие методы были разработаны, основное внимание стало уделяться методам конструирования собственно квантовых точек для удовлетворения последним трем требованиям.

Рассмотрим кратко предложенные методы формирования массивов КТ и квантовых проволок. Цель данного рассмотрения – указать на неразрывную связь физики наноструктур с технологией, а также показать, что свойства низкоразмерных гетероструктур и приборов на их основе, по крайней мере на сегодняшнем этапе развития технологии, определяются не только идеальными характеристиками данного типа активной области, но и особенностями формирования структуры.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 18, стр. 4

1.Формирование КТ-подобных состояний с помощью приложения магнитного поля к КЯ-лазеру. Неприемлемо для создания миниатюрных лазерных диодов.

2.Травление глубоких мез на структурах с квантовыми ямами. При современных методах литографии и травления трудно обеспечить воспроизводимое достижение размеров, меньших чем 50 нм. Проблема поверхностной рекомбинации в травленых структурах.

3.Метод обратно-смещенных затворов. Локализация носителей только одного типа. Трудно совместить с конструкцией инжекционного лазера. Малое разделение квантовых подзон.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 18, стр. 5

4. Формирование низкоразмерных структур непосредственно в процессе эпитаксиального выращивания. Широкая группа методов, достоинством которых является принципиальная возможность достижения малых размеров в сочетании с отсутствием повреждений.

Островки у ступенек на вицинальной поверхности.

Вицинальная (разориентированная) поверхность с углом разориентации α представляет собой набор террас точной кристаллической ориентации высотой в 1 монослой (МС) и шириной l =1ML / tg(α) (фасетирование).

Эпитаксиальный рост происходит преимущественно у углов ступеней (кристаллическая связь образуется в двух направлениях). Таким образом, гомоэпитаксиальный рост происходит путем движения террас.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 18, стр. 6

При осаждении другого материала с эффективной толщиной Q менее чем 1МС, образуются проволоки с латеральной шириной W=Q×l. Высота 1МС, так что энергия локализации очень мала. Однако, если зарастить такие проволоки тонким слоем исходного материала, а затем повторить гетероэпитаксию, сформируются ряды близко-расположенных (туннельно-связанных в направлении роста) проволок. Эти туннельносвязанные проволоки характеризуются единой системой квантовых уровней и являются собственно квантовыми проволоками. При этом, нижний уровень размерного квантования может быть локализован достаточно глубоко, т.к. эффективная высота такой проволоки задается числом периодов и может быть достаточно высока.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 18, стр. 7

Террасы на вицинальной поверхности

Заращивание исходным материалом

Гомоэпитаксия на вицинальной поверхности

рост прикреплением к краям ступеней

Формирование наклонных квантовых проволок

Гетероэпитаксия на вицинальной поверхности

осаждение дробного числа монослоев

Формирование наклонных квантовых проволок на разориентированной кристаллической поверхности

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 18, стр. 8

Недостатки.

При разориентации в 10 ширина ступени около 15 нм.

Если Q мало, то W мало – сильное квантование, уровень высоко, мала энергия локализации.

Если Q велико, то расстояние между соседними проволоками (l-W) мало – туннельное связывание соседних проволок, квазитрехмерный материал. Если l велико (мал угол разориентации) монослойные островки начинают формироваться не только у углов террас, но и на самих террасах. Трудность достижения одинакового угла наклона на большой площади подложки.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 18, стр. 9

Рост в V-канавках

V-канавках, образованных с помощью травления подложки, ориентированной по (100), либо с помощью нанесения на подложку оксидных масок

При осаждении материала на поверхность, имеющую V-канавку, происходит постепенное восстановление планарности поверхности. Это обусловлено большей скоростью латерального роста (при боковом прикреплении атомов).

Эффект восстановления планарности выражен тем сильнее, чем большей длина поверхностной диффузии атомов. Таким образом, разные материалы (например AlAs и GaAs) характеризуются разным радиусов кривизны ростового фронта при заращивании V-канавки.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 18, стр. 10