Проанализируйте методы формирование квантовых точек

В течение длительного времени во всем мире предпринимались попытки изготовления квантовых точек и приборов на их основе «традиционными способами», например путем селективного травления структур с квантовыми ямами, роста на профилированных подложках, конденсации в стеклянных матрицах и др. При этом приборно–ориентированные структуры так и не были созданы, а принципиальная возможность реализации атомоподобного спектра плотности состояний в макроскопической полупроводниковой структуре не была продемонстрирована в явном виде. Качественный прорыв в данной области связан с использованием эффектов самоорганизации наноструктур в гетероэпитаксиальных полупроводниковых системах. Под самоорганизацией понимается самопроизвольное возникновение упорядоченных макроскопических структур из менее упорядоченной среды. В основе процесса самоорганизации лежит свойство неравновесных физических систем при приближении к термодинамическому равновесию переходить в состояние, в котором свободная энергии системы, то есть та часть внутренней энергии, которая может быть превращена в работу, минимальна. Пусть на поверхности монокристалла из материала А осажден тонкий однородный слой материала В. Если условия осаждения обеспечивают установление термодинамического равновесия, то в слое В возникнет атомная структура и он примет форму, при которой свободная энергия системы будет минимальна. Важнейшими факторами, определяющими конечный результат процесса самоорганизации, являются рассогласование постоянных решеток А и В, создающее упругие напряжения в системе и повышающее ее внутреннюю энергию, толщина слоя, свободные энергии поверхности подложки, границы раздела и осаждаемого слоя, граней и ребер кристаллических кластеров, которые могут образоваться, и некоторые другие. При определенных значениях параметров, характеризующих эти факторы, может образоваться однородный по структуре и толщине слой материала В, повторяющий структуру подложки (эпитаксиальный слой). При других значениях параметров может оказаться энергетически более выгодным, чтобы материал В образовал массив напряженных трехмерных кластеров.

При осаждении из паровой фазы наблюдаются три типа начальной стадии роста слоя на подложке (рис. 29): а)послойный (двумерный) рост слоя. Он происходит, если материал В смачивает подложку, то есть обладает большим сцеплением с ней, и его постоянная решетки мало отличается от постоянной решетки материала А (механизм Франка Ван-дер-Мерве); б) островковый (трехмерный) рост слоя. Он имеет место при плохом смачивании (механизм Фолмера – Вебера);

Рис. 28. Механизмы самоорганизованного роста тонкого слоя на поверхности монокристалла:
а - двумерный (послойный), б - трехмерный (островковый),
в - промежуточный механизм роста (механизм Странского и Крастанова)

в) промежуточный механизм роста (механизм Странского – Крастанова), когда сначала происходит послойный рост слоя В, который при некоторой толщине смачивающего слоя сменяется островковым ростом. Этот механизм наблюдается при наличии смачивания и значительном рассогласовании решеток А и В (несколько процентов). Движущей силой образования островков, а не плоского слоя является стремление системы к минимуму энергии. При несовпадении параметров решетки возникают упругие деформации как возникающего островка, так и подложки. Если в процессе роста поверхность остается плоской (пунктир на рис. 29,а), то энергия упругой деформации растет, а энергия поверхности не изменяется. При определенной толщине (обычно несколько монослоев) такая ситуация становится энергетически невыгодной. Минимуму энергии системы будет соответствовать образование трехмерных островков-пирамидок (стрелки на рис. 29,а), в которых основание будет сильно деформировано на подложке, но деформация будет убывать по мере удаления от подложки к вершине пирамидки

Рис.29. а - образование пирамидальных островков InAs в результате
трансформации плоских слоев этого полупроводника (пунктир),
выращиваемых на подложке GaAs с отличающимися параметрами решетки; б
- система связанных вертикально квантовых точек InAs на подложке GaAs

Таким образом, движущей силой образования квантовых точек в процессе самоорганизации является уменьшение энергии деформации. Так, если на подложке из арсенида галлия растить слой арсенида индия, параметры решетки которого больше, то возникнут упругие напряжения, приводящие к росту островков (квантовых точек) InAs на поверхности GaAs. Поверхность покрывается пирамидками InAs с размерами в несколько десятков ангстрем. Оказывается более выгодным формирование островков по сравнению с однородно- напряженной поверхностью. Рост пирамид происходит до полного снятия упругого напряжения на вершине пирамиды. Образование согласованно-напряженных островков на поверхности зависит от двух параметров: рассогласования решеток и количества осажденного на поверхность материала. Минимум энергии соответствует образованию одинаковых по размеру и форме островков. Таким способом удается вырастить не только монослой пирамид на поверхности арсенида галлия, но и последовательные слои, как это показано на рис. 3б. При этом вершины пирамид являются зародышами образования пирамид в новом слое. Периодически фасетированные поверхности дают возможность прямого получения квантовых проволок, когда рост материала В, осаждаемого на поверхность материала А, происходит в «канавках» (рис. 30).

Для получения гетероструктур с СКТ используются два основных метода: метод молекулярно-пучковой эпитаксии и метод газофазной эпитаксии из металлорганических соединений. В методе молекулярно-пучковой эпитаксии структуры получают направленным испарением в сверхвысоком вакууме компонентов структуры (Ga, In, As и др.), которые конденсируются на подложке, нагретой до температуры ~500°С. Весь процесс изготовления структуры полностью автоматизирован и управляется компьютером. Важным достоинством этого метода является возможность очень точной регулировки состава материалов на подложке, контроля толщины слоев, начиная с одного монослоя, а также, что очень важно при получении СКТ, контроля перехода от двумерного к трехмерному росту. Контроль осуществляется посредством непрерывного наблюдения дифракции электронов от поверхности структуры в процессе ее роста. В методе газофазной эпитаксии осаждение структуры происходит в химическом реакторе путем термического разложения металлорганических соединений на поверхности подложки, нагретой до температуры ~500 - 650°С. Процесс ведется в потоке водорода в качестве газа-носителя паров соединений. Наличие плотной, горячей и химически активной атмосферы в реакторе практически исключает возможность прямого контроля за процессом осаждения и формирования структуры. Это является существенным недостатком метода. Однако относительная простота и экономические достоинства способствуют развитию и этого метода. Наблюдать СКТ в обычный оптический микроскоп, очевидно, невозможно, так как их размеры значительно меньше длины волны видимого света. Их можно видеть на электронном микроскопе. Электроны с энергией 100 кэВ обладают не только достаточно малой длиной волны, но и необходимой для просвечивания тонких слоев с СКТ проникающей способностью. Наиболее наглядную информацию о размерах, форме и поверхностной концентрации СКТ позволяет получить метод атомно-силовой микроскопии. На рис. 31 приведено зафиксированное на атомно-силовом микроскопе изображение слоя СКТ, полученного газофазной эпитаксией. Его анализ показывает, что СКТ имеют размер в основании ~ 40 нм, высоту ~ 6 нм и поверхностную плотность ~ 5 109 см-2.

Рис. 30. АСМ - изображение поверхности слоя СКТ InAs/GaAs.
Волнообразная поверхность - это ступени на поверхности кристалла
GaAs, образовавшиеся из-за того, что его срез специально сделан под
углом 3° к грани куба. СКТ InAs вырастают на углах ступеней

большой практический интерес представляют аморфные сверхрешетки, т.е. многослойные структуры образованные не монокристаллическими, а аморфными пленками, а также системы в виде нанообъектов, заключенных в матрицах из стекла, окислов (напр., SiO2), полимерных пленок и др. В таких системах механизм формирования нанокристаллитов еще не получил должного экспериментального обоснования и развития. Это ограничивает возможность управления процессом и получения гетероструктур с заданными свойствами.

Поиск по сайту: