Глава 14

14 Квантовые ямы, проволоки и точки. Приготовление квантовых наноструктур

14.1 Введение

При плавном уменьшении размеров образца от больших (макроскопических) значений, например, метра или сантиметра, до очень маленьких свойства снача­ла остаются неизменными, затем начинают медленно меняться, а при размерах менее 100 нм могут измениться радикально. Если размеры образца в одном изме­рении лежат в нанометровом диапазоне, а в двух других остаются большими, то получившаяся структура называется квантовой ямой. Если образец мал в двух измерениях и имеет большие размеры в третьем, то такой объект называют кван­товой проволокой. Предельный случай этого процесса уменьшения размеров, при котором размеры во всех трех измерениях лежат в нижней части нанометрового диапазона, называется квантовой точкой. Эпитет «квантовый» в названиях этих трех типов наноструктур используют потому, что в области ультрамалых мас­штабов возникает изменение свойств квантовомеханической природы. Рис. 14.1 иллюстрирует этот процесс уменьшения размеров для прямоугольной геометрии. На рис. 14.2 показан тот же процесс для криволинейной геометрии. В настоящей главе будут рассмотрены все эти варианты уменьшения размеров. Другими сло­вами, будет описано влияние размерности на свойства образца в случаях, когда одно, два или все три измерения малы. Особенно интересным является воздейст­вие таких изменений на электронные свойства. Обзор достижений в области ма­лоразмерных квантовых наноструктур можно найти в работе Jacak с соавторами (1998).

Рис. 14.1. Последовательность прямоугольных наноструктур.

Рис. 14.2. Последовательность круглых наноструктур.

14.2 Приготовление квантовых наноструктур

Одна из концепций создания наноструктур, получившая название «снизу — вверх», состоит в том, чтобы набрать, соединить и выстроить отдельные атомы и молекулы в упорядоченную структуру. Этот подход можно осуществить с помо­щью самосборки или некоторой последовательности каталитических химических реакций. Такие процессы широко распространены в биологических системах, где, например, катализаторы, называемые ферментами, собирая аминокислоты, формируют живые ткани, образующие и поддерживающие органы тела. В следу­ющей главе объясняется, как в природе возникает такое разнообразие вариантов самосборки.

Противоположная концепция формирования наноструктур обозначается «сверху - вниз». При таком подходе процесс начинается с обработки макро-масштабного объекта или структуры и состоит в постепенном уменьшении их размеров. Один из широко распространенных процессов этого класса называ­ют литографией. Он состоит в облучении образца, покрытого слоем, чувстви­тельным к такому воздействию, через некоторый шаблон. Затем этот шаблон удаляется, а на поверхности с помощью химической обработки формируют наноструктуру. Обычно в качестве вещества такого чувствительного слоя исполь­зуют полимер — полиметилметакрилат [С₅О₂Н₈]_n с молекулярной массой от 10^s до 10⁶ г/моль. На рис. 14.3 процесс литографии проиллюстрирован на примере получения квантовой проволоки или точки из квантовой ямы (например, слоя GaAs), расположенной на подложке как показано рис. 14.3а. Основные стадии этого процесса изображены на рис. 14.4. Сначала поверхность образца покрыва­ют радиационно-чувствительным слоем, называющимся резистом (рис. 14.4а). Затем его облучают в области желаемого расположения наноструктуры элек­тронным пучком. Это может осуществляться либо через маску (рис. 14.46), соот­ветствующую необходимой наноструктуре, либо путем сканирования электронным пучком, попадающим на поверхность только в требуемых местах. Об­лучение химически модифицирует незащищенные от него части чувствитель­ного слоя таким образом, что вещество этого слоя становится растворимым в специально подобранном проявителе. Таким образом, третья стадия

Рис. 14.3. а) — Квантовая яма из арсенида галлия на подложке; б) — квантовая про­волока и квантовая точка, полученные методом литографии.

Рис. 14.4. Этапы формирования квантовой проволоки или точки методом электрон­но-лучевой литографии: а) — изначальная покрытая защитным слоем квантовая яма на подложке; б) — облучение образца через маску; в) — кон­фигурация после растворения проявителем облученной части радиацион-но-чувствительного защитного слоя; г) — формирование маски для после­дующего травления; д) — состояние после удаления оставшейся части чув­ствительного защитного слоя; е) — состояние после стравливания частей материала квантовой ямы; ж) — окончательный вид наноструктуры после удаления маски травления.

процес­са (рис. 14.4в) состоит в удалении облученных участков слоя с помощью хими­ческого травления. Четвертая стадия (рис. 14.4г) заключается в нанесении мас­ки для травления в образовавшиеся на предыдущем этапе углубления в чувст­вительном слое. На пятой стадии (рис. 14.4д) удаляется оставшаяся часть этого слоя. На шестой стадии (рис. 14.4е) химическим травлением удаляются не за­крытые маской участки слоя, составлявшего изначально квантовую яму, и ос­тается квантовая структура, покрытая маской для травления. И наконец, если это необходимо, удаляется маска травления и остается требуемая квантовая структура (рис. 14.4ж), которая может быть квантовой точкой или проволокой, показанной на рис. 14.36. В электронно-лучевой литогра­фии для облучения используется пучок электронов. В других типах литографии могут использоваться пучки нейтральных атомов (например, Li, Na, К, Rb, Cs), пучки ионов (например, Ga⁺) или электромагнитное излучение видимого, ультрафиолетового или рентгеновского диапазона. При использова­нии лазерного излучения с помощью удвоения и учетверения частоты удается достичь длин волн, удобных для формирования квантовых точек (например, λ ~ 150 нм). При лазерном облучении можно использовать фотохимическое травление.

С помощью литографии можно получать и более сложные квантовые структу­ры, чем представленные на рис. 14.36 квантовые проволоки и квантовые точки. Например, можно начать с многослойной структуры квантовых ям, показанной на рис. 14.5, покрыть ее чувствительным слоем и облучить через маску с шестью круглыми отверстиями, изображенную на рисунке сверху. После серии процедур, показанных на рис. 14.4, получится структура из 24 квантовых точек, расположен­ных в 6 столбиках (см. рис. 14.6). В каждом из них друг на друга уложены 4 кванто­вые точки. В качестве примера преимуществ изготовления массивов квантовых точек приведем такой экспериментальный результат: интенсивность фотолюми­несценции массива квантовых точек, спектр которой показан на рис. 14.7, более чем в 100 раз выше, чем для первоначальной многослойной структуры квантовых ям. Основной пик в спектре на рис. 14.7 относится к локализованным экситонам, как объяснено в параграфе 14.4.

Рис. 14.5. Четырехслойная конструкция из квантовых ям на подложке, покрытая чувствительным слоем. Сверху показана маска для облучения при лито­графии.

Рис. 14.6. Массив квантовых точек, полученный с помощью литографии из перво­начальной конфигурации, показанной на рис. 14.5. 24 квантовые точки расположены в шести столбиках по четыре штуки в каждом.

Увеличение интенсивности, показанное на рисунке, получено на образце, первоначально состоявшем из 15 периодов сверх­решетки из чередующихся слоев Si и Si_0,7Ge_0,3 трех-нанометровой толщины. За­тем они были обработаны так, чтобы сформировались массивы квантовых точек, уложенных в столбики высотой 300 нм и диаметром 60 нм, находящиеся на рас­стоянии 200 нм друг от друга.

Рис. 14.7. Спектр фотолюминесценции мас­сива квантовых точек диаметром 60 нм, полученных с помощью литографии, в сравнении с первоначальным спектром многослойной структуры квантовых ям. Выраженный пик на 0,7654 эВ возникает из-за

локализованных экситонов (LE) в сверхрешетке (SL). Спектры снимались при температуре 4 К.