Напівпровідникові наноструктури та перспективи їх використання

При послідовному вирощуванні  шарів  і , які мають практично однакові параметри кристалічної решітки, можна виростити досконалі структури, що містять двовимірні електрони. В останні роки було виявлено, що при занижених температурах росту при моношаровому зростанні напівпровідника з параметрами кристалічної решітки, що відрізняються від параметрів решітки підкладки, можна отримати на поверхні зростання майже однакові за розміром острівці. Ці острівці пірамідальної форми практично не містять дефектів і є тими самими квантовими точками. Як приклад можна привести осадження InAs (параметр решітки = 0,60584 нм) на підкладці ( = 0,56533 нм). Такий процес отримав назву самоорганізації квантових точок у процесі росту (рис. 9, а).

Причиною утворення точок, а не плоского шару, є прагнення системи до мінімуму енергії. При розбіжності параметрів решітки виникають пружні деформації як утвореної точки,

Рис. 9. а - утворення пірамідальних точок InAs в результаті трансформації плоских шарів цього напівпровідника (пунктир), вирощуваних на підкладці з різними параметрами решітки; б - система вертикально зв'язаних квантових точок InAs на підкладці

 так і підкладки.  Якщо в процесі росту поверхня  залишається плоскою (пунктир на рис. 9, а), то енергія пружної деформації зростає, а енергія поверхні не змінюється. При певній товщині (зазвичай кілька моношарів) така ситуація стає енергетично невигідною. Мінімуму енергії системи буде відповідати утворення тривимірних острівців-пірамідок (стрілки на рис. 9, а), в яких основа буде сильно деформована, але деформація буде зменшуватись в міру віддалення від підкладки до вершини пірамідки. Перший шар InAs, називається змочувальним шаром, оскільки відокремлює пірамідки від підкладки GaAs.

Таким чином, рушійною силою  утворення квантових точок в процесі самоорганізації є зменшення енергії деформації. Так, якщо на підкладці із арсеніду галію вирощувати шар арсеніду індію, параметри решітки якого більше, то виникнуть пружні напруги, що приведуть до росту острівців (квантових точок) InAs на поверхні GaAs. Поверхня покривається пірамідками InAs з розмірами в декілька десятків ангстрем. Зростання пірамід відбувається до повного зняття пружньої напруги на вершині піраміди.

Утворення острівців на поверхні залежить від двох параметрів: неузгодженості решіток та кількості осадженого на поверхню матеріалу. Мінімум енергії відповідає утворенню однакових за розміром і формою острівців. Таким способом вдається виростити не тільки моношар пірамід на поверхні арсеніду галію, а й послідовні шари, як це показано на рис. 9, б. При цьому вершини пірамід є зародками утворень пірамід в новому шарі.

Іншим способом вирощування є метод газофазної епітаксіі. У цьому методі на кристалічну підкладку в спеціальному реакторі осідає необхідна речовина, отримана з газової фази в результаті хімічної реакції. У випадку осаду GaAs основну реакцію можна записати у вигляді

 

Осадження GaAs проходить при 650 ° С. Якщо на GaAs осаджувати InAs в кількості декількох моношарів, то можна також отримати поверхню, покриту пірамідками -. квантовими точками. Причина їх утворення та ж сама, що і при вирощуванні за допомогою молекулярно-променевої епітаксії - зменшення енергії системи за рахунок зменшення енергії пружньої деформації. Зазначимо, що обома вище згаданими методами отримують не тільки квантові точки InAs на GaAs підкладці, але і інші квантові точки, наприклад InAs на InP, InP на GaAs, Ge на Si, CdSe на ZnSe, GaN на , і т.д. Таким чином, формування квантових точок в напружених гетероепітаксіальних шарах є загальним фізичним явищем.

Третій спосіб отримання  квантових точок, що характеризується тим, що нанокристали утворюються без внутрішніх напруг, заснований на методах колоїдної хімії. Це один із найдавніших способів одержання нанокристалів. Він дозволяє отримувати нанокристали елементів II-IV (наприклад, CdS) або III-V (наприклад, InP, GaP, , InAs) груп Періодичної системи елементів. Відмінними особливостями цього методу є низька температура (близько 200°С) синтезу колоїдних частинок, можливість широко зміни концентрації напівпровідникових частинок, невелика концентрація поверхневих дефектів. Розчин хімічних реагентів, що містять сполуки елементів II і IV груп, вводять в розчинник, що містить молекули, які взаємодіють з поверхнею виникаючих наночасток. Це обмежує ріст часток. Більші частинки можна осадити і отримати розчин практично однакових за розміром частинок. В даний час можливо відділити частинки з діаметрами, які відрізняються тільки на кілька відсотків.

Синтез речовин III-V груп Періодичної  системи елементів таким способом є більш важкий у постановці. Не повинно міститися ні повітря, ні води, температура реакції більша, тривалість реакції довша, доводиться використовувати більш складні хімічні сполуки. Найкращі результати отримані при синтезі InP. Береться і або . Ці речовини взаємодіють із складними сполуками, що містять фосфор. Реакція йде кілька днів при температурі 270 - 290 ° С. Від тривалості реакції залежить розмір одержуваних часток. В описаному способі частки покриті зверху шаром молекул, які можуть бути заміщені на інші, наприклад полімерні. Отримані частки можна вивчати у розчині, або у вигляді порошку.

3. 3 Практичне застосування  нанокристалів

Напівпровідникові квантові точки, тобто кристали з розмірами  у кілька десятків нанометрів, по суті являють собою гігантські молекули (складаються з 10³-10⁵ атомів), сформовані із звичайних напівпровідникових матеріалів, таких, як InAs, Si, CdSe і т.д. Вони істотно менші традиційних для сучасної електроніки структур з характерними розмірами від мікрона і більше. У багатьох випадках властивості нанокристалів відповідають властивостям атомів. Наприклад, найнижчий енергетичний рівень електрона в нанокристалі відповідає S - стану електрона в атомі, а наступний - P-стану. Заповнення станів двома або шістьма електронами в квантовій точці найбільш вигідно по енергії. В атомі це відповідає повністю заповненим електронним оболонокам.

Структури з квантовими точками перспективні для створення напівпровідникових лазерів. Електрон в цій точці переходить з одного рівня в зоні провідності на інший у валентній зоні випромінюючи при цьому фотон з енергією hν, що дорівнює різниці енергій рівнів. Якщо в структурі з безліччю однакових квантових точок ініціювати узгоджені переходи електронів, то виникає лазерне випромінювання. Електрони на рівні зазвичай потрапляють при пропущенні струму через структуру. Оскільки зниження розмірності кристала зменшує ширину зон розмірного квантування, у квантовій точці існують тільки дискретні рівні енергії, як в атомі. Це веде до більш вузьких оптичних спектрів. Як приклад на рис. 3 наведено спектр випромінювання від однієї квантової точки GaAs з переходами між чотирма різними рівнями. Крім надзвичайно вузького спектру випромінювання також виділяється поляризація світла в двох взаємно перпендикулярних площинах (інтенсивності світла для двох поляризацій показані різним кольором).

Рис. 10. Спектри випромінювання однієї квантової точки. Енергії Е_і відповідають переходам між різними рівнями. Різним кольором показано випромінювання з різною поляризацією. На вставці показані переходи Е₁ і Е₄ в більшому масштабі

У структурах напівпровідникових квантових точок відбувається зниження порогового струму лазерної генерації, можливі великі швидкості модуляції  випромінювання. Вже отримана лазерна  генерація від структур з квантовими точками. Перед вченими зараз стоїть технологічне завдання зменшити розкид розмірів квантових точок при зростанні структур

Одноелектронні транзистори. Розглянемо сферичний нанокристал. Помістимо його в середовище з діелектричною проникністю ε. Його ємність буде С=εR, а потенціал U = , де q - електричний заряд. Для нанокристала діаметром R в декілька нанометрів величина ємності складає приблизно 10^-18 Ф. Якщо помістити в нього один електрон (заряд 1,6·10^-19 Кл), то його потенціал зміниться на ~ 0,1 В і .змінюватиметься пропорційно . Цього потенціалу цілком достатньо, щоб перешкодити руху інших електронів. Схематичне зображення транзистора з нанокристалу, де CdSe в якості активного елементу, наведено на рис. 11. Зазвичай на створену структуру осідають нанокристали, і один з них стає активним елементом, як показано на рис. 11. Прилад виготовляється на кремнієвій підкладці, на яку можна подати напругу V_g для зміни положення рівнів енергії в нанокристалі

Рис. 11. Схематичне зображення транзистора з нанокристалу, де CdSe в якості активного елементу

 

 Підкладка відокремлена  шаром окису кремнію SiO₂ від золотих електродів, на які висаджені нанокристали. Один з нанокристалів замикає електроди. Опір такого приладу зазвичай становить близько 10 МОм.

На структурі з одиночною  квантовою точкою добре демонструються атомні властивості квантових точок. Якщо прикласти невелику напругу V (кілька мілівольт) між електродами, то при певній напрузі V_g (див. рис. 11) електрон може потрапити в нанокристал. Електрон буде потрапляти на рівень у квантовій точці тільки тоді, коли його енергія буде рівна енергії рівня. Число електронів в квантовій точці можна змінювати по одному. При цьому спостерігається стрибок струму, що становить 10^-12 А. При збільшенні V_g знову відбудеться стрибок струму. Кількість таких стрибків залежить від числа рівнів розмірного квантування, і в принципі визначається розмірами нанокристалу. Описаний тут прилад поки що добре працює тільки при дуже низьких температурах

На рис. 12 наведена залежність струму, що проходить через квантову точку, від напруги V_g, яка змінює положення рівня енергії в точці. Кожен пік відповідає проходженню одного електрона. Спостерігаються дві суттєві особливості: відстані між піками не рівні і величини піків різні. Величини піків визначають енергію. Тут найбільша енергія відповідає двом і шести електронам. Взаємодія електронів призводить до того, що їхня енергія (положення рівня) залежить від числа електронів, що знаходяться на рівнях розмірного квантування, що призводить до зміни відстані між піками на рис. 12. Без взаємодії рівні повинні бути розташовані на однаковій відстані.

Рис. 12. Залежність сили струму від напруги при послідовному заповненні електронами однієї квантової точки. Числа біля піків - числа пройшовших електронів

З'явилися повідомлення про створення одноелектронної пам'яті, що працює при кімнатній температурі. Прилад заснований на транзисторі, в якому один електрон, захоплений нанокристалом, призводить до замикання провідності вузького каналу транзистора.

Висновок

Минуло понад 30 років з  тих пір, як почалося вивчення квантових  ефектів у напівпровідникових структурах. Були зроблені відкриття в галузі фізики низькорозмірних електронного газу, досягнуті вражаючі успіхи в  технології, побудовані нові електронні та оптоелектронні прилади. І сьогодні у фізичних лабораторіях активно  тривають роботи, спрямовані на створення  та дослідження нових квантових  структур і приладів, які стануть  елементами великих інтегральних схем, здатних з високою швидкістю  переробляти і зберігати величезні  обсяги інформації. Можливо, що вже  через кілька років настане ера  квантової напівпровідникової електроніки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Література

1. Есакі Л. Молекулярно-променева епітаксії і розвиток технології напівпровідникових надграток і структур з квантовими ямами .- В кн: Молекулярно-променева епітаксії та гетероструктури.: Пер. з англ. / Под ред. Л. Ченга, До Плог .- М.: Світ, 1989 .- с. 7 - 36.
2. Херман М. Напівпровідникові надгратки.- М.: Світ, 1989 .- 240 с.
3. Сілін А.П. Напівпровідникові надгратки / / Успіхи фізичних наук. - 1985. - Т.147, вип. 3 .- C. 485 - 521.
4. Бастар Г.. Розрахунок зонної структури надграток методом обвідної функції .- В кн: Молекулярно-променева епітаксії та гетероструктури / Под ред. Л. Ченга, К. Плог .- М.: Світ, 1989 .- С. 312 -347.
5. Цанг В.Т. Напівпровідникові лазери і фотоприймачі, отримані методом молекулярно-променевої епітаксії .- В кн: Молекулярно-променева епітаксії та гетероструктури / Под ред. Л. Ченга, К. Плог .- М.: Світ, 1989 .- С. 463 -504.