Приготовление 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 10s 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.

Процесс (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 Si0,7Ge0,3 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.

Заключение

На основе предложенных в 1970 году Ж.И.Алфёровым и его сотрудниками идеальных переходов в многокомпонентных соединениях InGaAsP созданы полупроводниковые лазеры, работающие в существенно более широкой спектральной области, чем лазеры в системе AIGaAs. Они нашли широкое применение в качестве источников излучения в волоконно-оптических линиях связи повышенной дальности.

В России (впервые в мире) было организовано крупномасштабное производство гетероструктурных солнечных элементов для космических батарей. Одна из них, установленная в 1986 году на космической станции «Мир», проработала на орбите весь срок эксплуатации без существенного снижения мощности.

Прошло более 30 лет с тех пор, как началось изучение квантовых эффектов в полупроводниковых структурах. Были сделаны замечательные открытия в области физики низкоразмерного электронного газа, достигнуты поразительные успехи в технологии, построены новые электронные и оптоэлектронные приборы. И сегодня в физических лабораториях активно продолжаются работы, направленные на создание и исследование новых квантовых структур и приборов, которые станут элементами больших интегральных схем, способных с высокой скоростью перерабатывать и хранить огромные объемы информации. Возможно, что уже через несколько лет наступит эра квантовой полупроводниковой электроники.

Список литературы

1. Эсаки Л. Молекулярно-лучевая эпитаксия и развитие технологии полупроводниковых сверхрешеток и структур с квантовыми ямами.- В кн: Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры.: Пер. с англ./Под ред. Л. Ченга, К Плога.- М.: Мир, 1989.- с. 7 – 36.

2. Херман М. Полупроводниковые сверхрешетки.- М.: Мир, 1989.- 240 с.

3. Силин А.П. Полупроводниковые сверхрешетки // Успехи физических наук. – 1985. - т.147, вып. 3.- C. 485 - 521.

4. Бастар Г.. Расчет зонной структуры сверхрешеток методом огибающей функции.- В кн: Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры / Под ред. Л. Ченга, К. Плога.- М.: Мир, 1989.- С. 312 –347.

5. Цанг В.Т. Полупроводниковые лазеры и фотоприемники, полученные методом молекулярно-лучевой эпитаксии.- В кн: Молекулярно-лучевая