Літографічний метод

Розділ 2. Отримання квантових точок

Літографічно отримані (визначені) квантові точки формуються шляхом ізоляції малої області двовимірної електронної системи тунелюючими бар’єрами з її оточення. Такі двовимірні електронні системи () або газ електронів можуть бути знайдені у структурах польових транзисторів - метал-окис-напівпровідник () або у так званих напівпровідникових гетеро структурах. Гетеро структури складаються з кількох тонких шарів різних напівпровідників, вирощених один на іншому, з використанням так званого методу молекулярно-променевої епітаксії (МПЕ. В англійському скороченні ). Послідовність шарів можна вибирати таким чином, щоб всі вільні носії заряду містилися у тонкому шарі кристалу, формуючи двовимірну електронну систему. Надструктура, яка отримується періодичним повторенням цієї послідовності шарів, називається „багатократна квантова яма”. Однією з найбільш досліджених систем є квантова яма алюміній галій арсенід/арсенід галію (). має таку ж саму постійну решітки, як і , але ширшу заборонену зону, значення якої залежить від вмісту алюмінію у шарі. Таким чином, електрони у шарі містяться у цьому шарі (обмежені цим шаром) і формують двовимірний газ електронів [9].

Системи квантових точок можуть бути генеровані у поздовжньому або вертикальному оточенні, як показано на рис. 2.1. У поздовжній геометрії (двовимірний електронний газ) локально електростатично збіднюється при прикладенні негативної напруги на електроди, нанесені на поверхню кристалу. Можна зрозуміти цей ефект з наступних міркувань. Нехай ми прикладаємо негативну напругу на металеві електроди над двовимірним газом електронів. Завдяки електростатичній взаємодії електрони будуть відштовхуватися електричним полем електродів, тому область нижче електродів буде збіднена електронами. Область, збіднена зарядами, поводиться як діелектрик. Таким чином, шляхом прикладання електричного поля до металевих електродів відповідної форми можливо створити острівці зарядів, ізольовані від решти . Якщо острівок у межах достатньо малий, він поводиться як квантова точка. У вертикальній геометрії малий вертикальний стовпчик ізольований шляхом травлення гетероструктури навколо нього. У такому оточенні носії заряду знову стають обмеженими у всіх трьох напрямках.

Більшість досліджень явища переносу електронів у квантових точках були виконані на вищезгаданих двох типах квантових точок. Поздовжнє оточення дає відносно високу ступінь свободи для конструювання структури, оскільки вона буде визначатися вибором геометрії. Крім того, можливо виготовити і вивчити „штучні молекули”, створені кількома зв’язаними квантовими точками. У вертикальному оточенні (геометрії) можна виготовити структури з дуже малою кількістю електронів [6].

Важливою перевагою літографічно отриманих квантових точок є їх прямий електричний зв’язок з „макросвітом”. Процеси виготовлення подібні до тих, що використовуються при виготовленні чіпів, і в принципі такі структури можуть бути вбудовані у звичайні електричні схеми. Але геометрія цих квантових точок обмежена звичайними розмірами і роздільною здатністю літографічних методів. Навіть з використанням електронно-променевої літографії для виготовлення квантових точок неможливо контролювати їх розмір з нанометровою точністю. Літографічно виготовлені квантові точки мають розміри звичайно більші, ніж 10 нм, отже, можна досягти тільки низьких поздовжніх енергій заключення [10].

Рис. 3.3.

Три типи квантових точок (рис.3) а1 - літографічно отримана квантова точка у поздовжньому оточенні може бути сформована електростатичним збідненням двовимірного газу електронів (, показано темно-сірим) через електроди затворів. формується, як правило, на 20-100 нм нижче поверхні напівпровідникової гетероструктури (зазвичай ). Прикладання негативної напруги до металевих затворів на поверхні гетероструктури збіднює нижче затворів (показано світло-сірим) і вирізає малий острівок електронів з . Електрони можуть тунелювати в та з острівка. Електричний контакт до реалізується через омічні контакти (не наведені на рисунку); а2 - вертикальну квантову точку можна сформовати у гетероструктурі з подвійним бар’єром. З гетероструктури витравлюється вузький стовпчик (колона). Шари (світло-сірі) формують тунельні бар’єри, що ізолюють центральну область від контактної області. Ця центральна область поводиться як квантова точка (показана темно-сірим). Металеві контакти нанесені зверху на стовпчику та знизу гетероструктури; б - самоорганізовані квантові точки: при використанні молекулярно-променевої епітаксії (МПЕ). Ріст (темно-сіре) на (світло-сіре) спочатку призводить до утворення протяжного шару (змочувальний шар) і потім до утворення малих острівців . Одиничні електрони або електрон-діркові пари (екситони) можуть бути обмежені цими квантовими точками як електрично, так і оптично; в - колоїдні квантові точки - колоїдні частинки, що мають діаметр кілька нанометрів, формуються за допомогою мокрої хімії і можуть бути отримані для більшості напівпровідників типу та декількох типів напівпровідників. Поверхня колоїдних квантових точок покрита шаром молекул суфрактанта, який запобігає агрегації частинок [1].

Дата добавления: 2014-01-04