Материал: Специальные вопросы микро- и нанотехнологий. Стогней О.В., Трегубов И.М

Изображение иллюстрирует атомную точность поверхностей раздела.

3. Возможность получения резких скачков концентрации

ля и коррекции роста непосредственно в ходе процесса, диагностика роста, точный контроль температуры подложки и ячеек, компьютерное управление параметрами процесса.

Благодаря своим возможностям, МЛЭ в настоящее время играет главную роль в развитии технологии получения полупроводниковых наногетероструктур.

3.2. Формирование квантовых точек посредством самоорганизации при эпитаксии

Упорядоченные самоорганизованные массивы квантовых точек были получены при отработке лазерных структур. Согласно теории, квантовые точки имеют дискретный энергетический спектр и высокую плотность состояний, что должно

25

давать (при использовании квантовых точек в качестве активной среды лазеров) большой коэффициент усиления, низкий пороговый ток и его температурную стабильность. В течение долгого времени предпринимались попытки изготовления квантовых точек и приборов на их основе традиционными методами, например литографией, селективным травлением структур с квантовыми ямами. На этом п ути отрабатывалась литография с предельно высоким разрешением, но квантовых точек с дискретным атомоподобным спектром получить не удалось.

«Настоящие» квантовые точки были получены после смены технологии по типу «сверху вниз» на технологию «снизу вверх», когда стали использовать эффекты самоорганизации при эпитаксиальном наращивании гетероструктур. При определенных условиях в эпитаксиальном слое, наращиваемом на кристаллическую подложку другого вещества, образуются упорядоченные массивы квантовых точек. Пример такой квантовой

точки германия на поверхности кремния показан на рис. 3.3.

На квантовых точках, полученных посредством самоорганизации, были впервые продемонстрированы физические свойства, предсказанные теоретически, в частности, специфическая дискретность их энергетического спектра. Первые лазеры на квантовых точках были созданы в 1993 г. под руководством Ж. И. Алферова в Физикотехническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН.

26

Механизм процесса самоорганизации.

Процесс самоорганизации при эпитаксиальном росте есть следствие стремления системы к уменьшению энергии.

Известно, что при осаждении атомов на подложку из газовой фазы наблюдаются три типа начальной стадии роста: механизм Франка-Ван дер Мерве (слоевый рост), ФольмераВебера (островковый рост) и Крастанова-Странского (промежуточный тип). При реализации механизма Франка-Ван дер Мерве осаждаемый материал смачивает подложку (постоянные решеток практически совпадают), происходит послойный двухмерный рост пленки. В случае механизма ФольмераВебера осаждаемый материал не смачивает подложку (материалы, различные по свойствам, или с большим различием постоянных решеток), происходит островковый (трехмерный) рост. Осаждаемый материал «стягивается» в наноостровки на поверхности подложки. При механизме КрастановаСтранского осаждаемый материал смачивает подложку, но имеется рассогласование постоянных решеток (порядка нескольких процентов). Именно этот механизм роста используется для получения массивов квантовых точек, например квантовых точек InAs в матрице GaAs (рассогласование решеток 7% ) или квантовых точек германия в кремниевой матрице (рассогласование 4%).

На начальном этапе идет послойный рост материала В на подложке А с образованием смачивающего слоя, а затем происходит переход к формированию трехмерных островков из материала В на покрытой подложке (рис. 3.4). Каждая вертикальная атомная плоскость подложки продолжается в объеме островка, но из-за различия постоянных решетки материалов А и В островок становится напряженным (используется термин «когерентно напряженный»).

27

Постоянная решетки InAs больше, чем у GaAs. При осаждении InAs на подложку GaAs сначала формируется сплошной слой InAs. Этот слой из-за различия решеток - напряженный (ячейки как бы стремятся выгнуться). По мере увеличения толщины слоя упругая энергия растет, связи между атомами слоя начинают рваться, некоторые атомы частично освобождаются. Происходит перераспределение материала и образуются трехмерные островки (см. рис. 3.4). Когда образуется островок, решетка InAs частично распрямляется и получается выигрыш в энергии. Образование трехмерных островков начинается после осаждения 1,6-1,7 слоев InAs.

После осаждения четырех монослоев получается плотный массив островков правильной формы. Если на островки InAs снова нарастить GaAs, получатся квантовые точки InAs (узкозонный полупроводник) в матрице GaAs (широкозонный). Формирование массивов островков наблюдается также в сис-

темах Si-Ge, InAs-InP, AlInAs-AlGaAs, PbSePbTe и в ряде других.

Размер и форма островков.

Для заданных условий роста существует определенный размер островков, который соответствует минимуму энергии системы. Увеличение или уменьшение размеров островков приводит к увеличению энергии. Большинство островков имеет одинаковый размер, который зависит от условий роста.

Островки ограняются поверхностями с малой поверхностной энергией (так называемые кристаллографические грани с низкими индексами Миллера). Например, на подложке GaAs с ориентацией (100) равновесная форма островков InAs - это пирамидки с квадратным основанием (рис. 3.5 а).

Когда расстояние между островками становится сравнимым с размерами островков, начинается их упругое взаимодействие, обусловленное проникновением в подложку напряжений, создаваемых островками. Взаимодействие островков на поверхности - всегда отталкивание. Это обеспечивает ус-

28

тойчивость массива островков. На упруго-анизотропных поверхностях {100} островки образуют квадратную сетку.

На рис. 3.5 б показаны пирамидальные островки PbSe на поверхности PbTe (111).

Рис. 3.5. Островки PbSe на поверхности РbТе: а - схема островка; б - схематическое изображение островков, полученное с помощью атомно-силового микроскопа

Для приборных приложений массив островков должен обладать определенными качествами: отсутствие дефектов, однородность массива по форме, взаимному расположению и размерам островков, достаточная поверхностная плотность островков. Например, для лазерных структур необходима плотность островков ~1011 см2.

Регулированием условий роста можно изменять размеры островков и их поверхностную плотность. Например, с ростом температуры подложки увеличивается размер основания L, уменьшается высота h и уменьшается поверхностная плотность островков. Эти параметры зависят также от давления паров мышьяка и других условий роста.

Подбор оптимальных условий получения островков производится экспериментально. Существуют минимальный и максимальный размеры островков, когда их можно рассматривать как квантовые точки. Для системы InAs-GaAs - это 4 нм и

29