1.2.1.4.3. Размеры и плотность островков: возможности управления
Практический интерес исследователей концентрируется на системах с размером наноостровков около 10 нм и менее (чистый Ge-на-Si), что в первую очередь связано с их оптическими свойствами. Плотность островков имеет также важное значение, поскольку отклик системы на внешнее воздействие напрямую связан с числом островков, а значит, и с их плотностью. Оба этих параметра (размер и плотность) зависят от таких условий выращивания, как температура подложки и скорость роста. Понижение температуры роста, так же как и увеличение потока Ge, ведет к уменьшению диффузионной длины адатомов Ge на подложке. Соответственно область сбора адатомов для одного островка уменьшается, уменьшаются и его размеры, а плотность возрастает. Abstreiteretal. [78], понизив температуру роста до 550◦C и увеличивая поток Ge, закономерно варьировали плотность островков вплоть до 1010 см−2. Дальнейшее понижение температуры роста до 300◦ C позволило существенно повысить плотность нанокластеров Ge до ~ 3 ∙ 1011 см−2 [79]. Pengetal. [80], используя сурьму как сурфактант, понижающий поверхностную диффузионную длину адатомов Ge, достигли рекордно высокой на сегодняшний день величины плотности островков ~5 ∙ 1011 см−2.
Таким образом, управление параметрами процесса спонтанного упорядочения наноструктур на поверхности может быть осуществлено следующими путями:
- использование подложек, отклоненных от поверхности (001), и связанные с этим различные способы упорядочения ступеней, являющихся в дальнейшем шаблонами для зарождения островков [69,81-87];
- использование сурфактантов, модифицирующих поверхностные характеристики (поверхностная энергия, длина диффузии адатомов) как подложки, так и эпитаксиального слоя [80,88-91];
- создание на поверхности подложки микрострессоров, инициирующих зарождение островков в определенных местах [92-94];
- литография: создание окон на подложке, ограничивающих область сбора адатомов в островок и отделяющих островки друг от друга [95,96]. Формирование с помощью фотолитографии фасеточных граней, локализующих места зарождения островков [97,98].
Каждое из этих направлений получило свое развитие, но исследования находятся в стадии активного поиска [48].
1.2.1.5. Формирование массивов вертикально связанных квантовых точек
Заращенные островки (квантовые точки) материала 2 в матрице материала 1 представляют собой когерентные упругие включения, создающие дальнодействующие поля упругих напряжений во всей заращенной гетерофазной системе. При повторном осаждении материала 2 на заращенную гетероструктуру возникает принципиально новый режим роста: рост в поле упругих напряжений, созданных заращенными точками первого слоя. Поскольку в полупроводниках A3B5 при характерных температурах для МПЭ коэффициенты объемной диффузии атомов основных компонентов на несколько порядков меньше коэффициентов поверхностной диффузии, диффузией в объеме можно пренебречь. Поэтому распределение компонентов гетерофазной системы в объеме заращенной гетероструктуры "заморожено". Это распределение создает статическое поле упругих напряжений, определяющее кинетику поверхностной миграции. Поверхностная миграция состоит из диффузии и дрейфа в поле упругих напряжений.
Подобная кинетика роста в открытой системе исследовалась теоретически в работах [99,100] для эпитаксиального роста твердого раствора. Были установлены критерии усиления флуктуаций состава твердого раствора с толщиной эпитаксиальной пленки, что является начальной стадией процесса самоорганизации структур с периодической модуляцией состава твердого раствора. Было показано, что усиление флуктуаций состава в процессе роста в открытой системе возникает в более широком интервале температур, чем спинодальный распад в условиях равновесия в замкнутой системе.
Если в процессе осаждения материала 2 на структуру с заращенными точками ввести прерывание роста, то осажденный материал будет стремиться прийти к частичному равновесию, т. е. к равновесной поверхностной морфологии при "замороженном" распределении материала в объеме гетерофазной структуры.
Ранее было известно [32], что в многослойной системе точек InAs в матрице GaAs точки располагаются коррелированно друг над другом. Однако в этих работах рас- стояние между слоями точек заметно превышало размер самих точек. В таком случае корреляция в расположении точек не изменяет их электронной структуры.
Чтобы получить возможность управления и оптимизации электронной структуры квантовых точек с целью их применения в оптоэлектронике, была разработана технология получения массивов электронно-связанных квантовых точек [6,102 - 105]. С этой целью с использованием метода МПЭ применялось поочередное осаждение InAs и GaAs, причем количество осаждаемого GaAs выбиралось таким образом, чтобы InAs-пирамида была заращена только частично. Тогда в следующем цикле осаждения точки InAs, вырастающие над точками первого слоя, оказывались электронно связанными с точками первого слоя [6].
Аналогичные результаты при росте вертикально связанных точек методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений были получены в работе [106].
1.2.2. Полупроводниковые сверхрешеточные структуры
Термин «сверхрешетка» обычно используют для периодических структур, состоящих из тонких слоев двух полупроводников, повторяющихся в одном направлении. Период по толщине обычно составляет от нескольких до десятков нанометров, что меньше длины свободного пробега электронов, но больше постоянной кристаллической решетки. Такой периодический потенциал сверхрешетки существенно изменяет зонную структуру исходных полупроводников, создавая минизоны в пространстве волнового вектора и энергетические подзоны. В этом отношении сверхрешетку можно рассматривать как новый синтезированный полупроводник, не существующий в природе, который обнаруживает необычные электронные и оптические свойства.
В основном можно различать два типа таких «искусственных» сверхрешеток. Это композиционные сверхрешетки, или сверхрешетки с гетероструктурами, состоящие из периодической последовательности двух полупроводников разного химического состава, и легированные сверхрешетки, представляющие собой последовательность слоев п- и р-типа с возможными безпримесными слоями между ними, выращенных в гомогенном массивном полупроводнике.
Потенциал сверхрешетки создается в композиционных сверхрешетках за счет периодического изменения ширины энергетической запрещенной зоны в направлении роста кристалла; в nipi-кристаллах он обусловлен электростатическим потенциалом ионизованных примесей, который может быть частично компенсирован подвижными электронами и дырками, находящимися в слоях п- и р-типа соответственно.
Кроме явлений, характерных для композиционных сверхрешеток, в nipi -кристаллах можно ожидать присутствия ряда, других особенностей, связанных с электростатической природой потенциала сверхрешетки. Низшая электронная и высшая дырочная подзоны отделены друг от друга (непрямой полупроводник в реальном пространстве). В зависимости от конструкции кристалла электронно-дырочная рекомбинация может быть подавлена почти полностью. Как следствие этого эффективная ширина запрещенной зоны и концентрация электронов и дырок могут изменяться в таких сверхрешетках в широких пределах за счет либо оптического возбуждения, либо введения в кристалл носителей.
В настоящее время полупроводниковые сверхрешетки представляют собой одну из наиболее быстро развивающихся областей физики твердого тела. Они являются объектами особого интереса для физиков. Композиционные сверхрешетки и особенно легированные сверхрешетки с их широкими возможностями перестройки представляют собой важный новый класс полупроводников, оказывающий большое влияние не только на физику твердого тела, но также на современную технологию электронных приборов
Первая искусственная полупроводниковая сверхрешетка была выращена с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) — метода тонкопленочной технологии, получившего развитие в конце 60-х годов [107]. В этом методе кристалл выращивают в сверхвысоком вакууме с помощью атомарных или молекулярных пучков требуемых компонент, направляемых из высокотемпературных эффузионных ячеек на нагреваемую монокристаллическую пластину — подложку. Пучки осаждают вещество со скоростью приблизительно один атомный слой в секунду. Рост кристаллических слоев в этом процессе происходит за счет химических реакций веществ пучка с поверхностью подложки.
Испробовав несколько различных материалов и технологий, Чанг, Есаки и др. [108] достигли успеха в выращивании с помощью МЛЭ композиционной сверхрешетки в системе GaAs—AlxGa1-xAs. Это не было случайностью. Во-первых, А1, имеющий такую же валентность и ионный радиус, что и Ga, будучи введен в решетку GaAs, не вызывает заметных искажений кристаллической структуры, создавая одновременно достаточную амплитуду сверхрешеточного потенциала в зоне проводимости, что удобно для изучения динамики электронов. Во-вторых, для указанных полупроводников была отработана технология МЛЭ, которая в то время являлась единственной технологией, позволяющей удовлетворить жестким требованиям, необходимым для создания сверхрешетки.