Глава 2. КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ

2.1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ЭПИТАКСИАЛЬНОГО РОСТА КВАНТОВЫХ ТОЧЕК В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ

2.1.1. ОСТРОВКОВЫЕ КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ

В этом разделе остановимся кратко на вопросах, касающихся выращивания квантовых точек в полупроводниковых гетероструктурах. Такие объекты наиболее широко используются для фундаментально научных и прикладных исследований и уже нашли разнообразные приложения в технике: оптоэлектронике, информатике, технике коммуникаций и других областях. На рисунке 2.1 схематически изображена одиночная квантовая точка в кристаллической полупроводниковой матрице, а также приведена качественная картина уровней размерного квантования в зонах проводимости и валентной зоне квантовой точки.

Наиболее качественный и достаточно хорошо управляемый рост квантовых точек с заданной формой, размерами, конфигурацией расположения и поверхностной

Рис. 2.1

a — схематическое изображение квантовой точки в кристаллической матрице; b — качественная картина уровней размерного квантования в зонах проводимости (СВ) и валентной зоне (VB) квантовой точки. Шкала энергий в относительных единицах вертикальна.

плотностью достигается в условиях эпитаксиального наращивания слоев в полупроводниковых гетероструктурах. Эпитаксиальный рост происходит, когда монокристалли- ческий материал А (например, InAs) при определенных условиях наращивается на чистой поверхности монокристалла В (например, GaAs), который выполняет роль подложки (substrate). Когда материалы А и В различны, процесс роста называется гетероэпитаксиальным, в отличие от гомоэпитаксиального послойного роста однотипного кристаллического материала. Остановимся здесь на распространенном случае, когда роль подложки играет монокристалл GaAs с кристаллографической ориентацией плоскости роста (001). Эпитаксиальный слой наращивается испарением соответствующего материала из тепловых (кнудсеновских) ячеек с помощью техники молекулярно-пучковой эпитаксии (МВБ [1]) или посредством осаждения на подложку молекулярного газа методом ме- талл-органической газофазной эпитаксии (MOVPE [2]). При температурах подложки, которые необходимы для эпитаксиального роста (в случае GaAs тампературы составляют 500°С и выше), абсорбированные атомы (adatoms), например In и As, диффундируя по поверхности, помимо испарения с поверхности могут объединяться и образовывать двумерные островки (агрегаты). Эти процессы происходят с определенной вероятностью в единицу времени v, зависящую от энергии активации Еи: v * (1 - Ea/kBTs), Ts — температура подложки. При термодинамическом равновесии процессы осаждения и испарения происходят с одинаковой скоростью, в соответствии с принципом детального равновесия. Поэтому для эпитаксиального роста поверхностные процессы конденсации (поглощения) и испарения (десорбции) должны быть разбалансированы. Таким образом, кристаллический эпитаксиальный рост должен быть неравновесным процессом.

Согласно классификации Бауэра [3], различают три вида гетероэпитаксиального роста кристаллических слоев: послойный рост или тип роста Франка — Ван дер Мер- ве (Frank — van der Merwe, FM), островковый рост или тип роста Вольмера — Вебера (Volmer — Weber, VW), на-

Рис. 2.2

Схематическое изображение трех видов гетероэпитаксиального роста материала А на подложке В:

FM — послойная эпитаксия или метод Франка — Ван дер Мерве; VW — островковый эпитаксиальный рост или метод Вольмера — Вебера; SK — послойно-островковый метод Странского — Крастанова. Предполагается, что постоянная решетки материала А больше, чем постоянная решетки материала подложки В.

конец, послойный плюс островковый тип роста или метод Странского — Крастанова (Stranski — Krastanow, SK). Эти три типа эпитаксиального роста качественно проиллюстрированы на рисунке 2.2.

Простое отличие между FM и VW типами роста нетрудно найти на основании сравнения поверхностного и межслоевого напряжения. При этом предполагается, что в МВЕ-методе эпитаксиальный рост происходит в вакууме. В случае FM типа взаимодействие между атомами вещества А в слое слабее, чем с атомами В подложки: Ув - У а + Yif> гДе У а и Ув поверхностные напряжения слой- вакуум и подложка-вакуум, соответственно. В случае VW типа роста работает противоположное неравенство: Ув < Уа + Уif*

В случае реализации метода Странского — Крастанова, который наиболее широко используется для эпитаксиального роста квантовых точек, важно иметь достаточно большое рассогласование решеток подложки и наращиваемой пленки. В случае InAs на поверхности GaAs(OOl) решеточное рассогласование составляет 7% . Столь сильное рассогласование сопровождается появлением большой энергии напряжений. Эта энергия может в принципе привести к появлению дислокаций с глубокими безызлучательными центрами. Эту проблему удается устранить в условиях зарождения трехмерных островков (рассматривается случай InAs) на поверхности плоской пленки, выполняющей роль смачивающего слоя (wetting layer).Только в начале 1990-х гг., благодаря ключевым работам [4-6], стало ясно, что такие островки могут быть свободны от кристаллических дефектов и эффективно использоваться в качестве квантовых точек для исследовательских и прикладных целей. О форме островков, их размерах и композиции заинтересованный читатель может найти исчерпывающую информацию в коллективной монографии [7].

Однако, помимо перечисленных параметров, очень существенно для работы с одиночными квантовыми точками уметь управлять их плотностью на поверхности подложки. Эта задача также успешно решается. Возникновение островков в условиях МВЕ-роста на поверхности подложки контролируется (in situ) с помощью дифракции электронов высокой энергии (RHEED). Плотностью островков можно управлять, контролируя интенсивность пятен дифракции и прерывая эпитаксиальный рост в соответствии с откалиброванный интенсивностью дифракционных пятен и поверхностной плотностью квантовых точек в используемой МВЕ-камере.

На рисунке 2.3 приведены изображения InAs/GaAs квантовых точек (КТ), полученные с помощью атомносилового (AFM) микроскопа, для двух, отличающихся более чем на порядок, поверхностных плотностей КТ. Образ-

Рис. 2.3

Изображения InAs/GaAs квантовых точек (КТ) с помощью атомно-силового (AFM) микроскопа:

а— поверхностная плотность квантовых точек 4109см"2; Ь— менее 108 см 2. Образец со столь низкой плотностью КТ пригоден для изучения одиночных квантовых точек [7].

цы с поверхностной плотностью < 108 см~2 оказываются наиболее пригодными для исследований свойств одиночных квантовых точек. При столь низких поверхностных плотностях одиночную квантовую точку из большого массива квантовых точек нетрудно «отобрать», например, используя высокоразрешающий оптический микроскоп (с разрешением около 1 мкм).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >