Способ изготовления квантовых структур: квантовых точек, проволок, элементов квантовых приборов

Способ изготовления квантовых структур: квантовых точек, проволок, элементов квантовых приборов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к микроэлектронике, наноэлектронике, полупроводниковой технике, к способам изготовления полупроводниковых приборов и приборов на твердом теле или их частей, а именно к способам изготовления элементов квантовых приборов, структур с квантовыми эффектами.

Прецизионное наноструктурирование является нерешенной ключевой проблемой нанотехнологии. Достижение прецизионных размеров в квантовых приборах необходимо как для организации массового производства, так и для правильного функционирования приборов, поскольку процессы туннелирования, размерное квантование и т.д. строго зависят от размеров элементов приборов и расстояний между ними.

Изучение квантово-размерных структур представляет собой большой интерес как с практической, так и с теоретической точек зрения. Впервые квантовые размерные эффекты в полупроводниковых структурах были продемонстрированы в 70-х годах на так называемых "квантовых ямах" (R.Dingle, W.Wiegmann, and C.H.Henry, Phys. Rev. Lett. 33, 827, 1974): структурах, состоящих из тонкой эпитаксиальной пленки полупроводникового материала с меньшей шириной запрещенной зоны, находящейся между двумя слоями полупроводника с большей шириной запрещенной зоны. Если толщина пленки сравнима с де-бройлевской длиной волны носителей заряда, то движение носителей заряда в направлении, перпендикулярном пленке, строго квантовано. Квантово-размерные структуры можно классифицировать по числу измерений, движение носителей в которых ограничено и квантовано. Это двухмерные структуры (квантовые ямы), одномерные структуры (квантовые проволоки), нульмерные структуры (квантовые точки, нанокластеры, нанокристаллиты). В настоящее время во многих институтах и лабораториях ведутся активные исследования как раз в области нульмерных структур, поскольку именно в квантовых точках квантовые размерные эффекты проявляются особенно сильно. Кроме того, квантовые точки могут послужить основой для создания новых полупроводниковых и оптоэлектронных приборов. Более того, появляется возможность контролировать длину волны оптического излучения, используя квантовые точки с большим или меньшим диаметром. Следует отметить, что по сей день на пути тонких экспериментальных исследований и конструирования приборов на основе квантовых точек встают, в основном, технологические трудности.

Исторически первый способ изготовления квантовых точек был осуществлен Ридом с соавторами (Reed M.A., Bate R.T., Bradshaw К., Dunkan W.M., Frensley W.M., Lee J.W., Smith H.D. "Spatial quantization in GaAs-AlGaAs multiple quantum dots", Journal Vacuum Science Technology B, 4, 358, 1986) с помощью электронной литографии и последующего вытравливания наноразмерных структур в гетероструктуре, содержащей двумерный электронный газ. То есть из пленочной гетероструктуры с квантовой ямой удаляют большую часть, оставляя фрагменты в виде точек - фрагменты квантовой ямы. Недостатком метода является то, что получаются квантовые точки относительно больших размеров, так как размер ограничивается возможностями литографии.

Известен метод, включающий создание пространственно модулированного электрического поля, которое локализует электроны в маленьких точечных областях пленки. Это возможно путем создания (с помощью литографии) массива миниатюрных электродов (барьеров Шоттки) на поверхности пленки с квантовой ямой. Прикладывая соответствующее напряжение к электродам, получают пространственно модулированное электрическое поле, которое локализует электроны в маленьких областях (Hansen W., Smith T.P., Lee K.Y., Brum J.A., Knoedler C.M., Hong J.M., Kern D.P. "Zeeman bifurcation of quantum-dot spectra". Physical Review Letters 62, 2168, 1989). Также модуляция электрического потенциала может быть получена путем изготовления островков неметаллического материала на поверхности образца, и, таким образом, модуляция поля создается из-за модуляции расстояния до электрода. Основное преимущество квантовых точек, полученных с помощью модуляции электрического поля, в том, что границы точек, получаемых данным способом, гладкие и не имеют краевых дефектов, характерных для структур, полученных травлением. Однако размер получаемых квантовых структур ограничивается возможностями литографии и соответственно квантовые размерные эффекты проявляются только при очень низких температурах.

Наиболее распространенным, совершенным и технологичным являются методы, основанные на самоформировании квантовых точек в процессе гетероэпитаксиального роста пленок с большим несоответствием постоянных решеток. При определенной критической толщине выращиваемой сжатой пленки происходит переход от двумерного роста к трехмерному (процесс Странского-Крастанова). Известен способ получения квантовых точек, выбранный прототипом (Petroff P. et al. "Quantum dot fabrication process using strained epitaxial growth", патент США №5614435, 1997), описывающий метод получения квантовых точек, используя именно такой эпитаксиальный рост напряженных структур. Петрофф с соавторами описали метод получения квантовых точек, не требующий использования литографии. Метод включает осаждение на подложку материала, имеющего постоянную атомной решетки, отличающуюся от постоянной решетки подложки. Под воздействием внутренних напряжений, вызванных несоответствием постоянных атомной решетки, происходит самоформирование квантовых точек из осажденного материала. В процессе осаждения ведут наблюдение поверхности по дифракции отраженных высокоэнергетичных электронов, что позволяет прекратить рост, когда нужное количество квантовых точек сформируется. Осаждение может вестись как молекулярной эпитаксией, так и другими методами осаждения, такими как газофазная эпитаксия, металл-органическое химическое осаждение и т.п.

Если постоянная атомной решетки материала, осаждаемого в процессе эпитаксиального роста, значительно (например, как для GaAs и InAs - 7%) отличается от постоянной решетки материала подложки, то только первые монослои осаждаются псевдоморфно, т.е. формируют напряженный слой с постоянной атомной решетки, соответствующей материалу подложки. После того как толщина осаждаемого слоя превышает критическую, значительные напряжения в растущем слое приводят к спонтанному формированию случайно расположенных бугорков InAs (переход от двумерного роста к трехмерному - процесс Странского-Крастанова). Поскольку ширина запрещенной зоны InAs значительно меньше, чем в GaAs, то в случае InAs островков на GaAs подложке эти структуры представляют собой квантовые потенциальные ямы для носителей заряда - квантовые точки.

Недостатки методов в том, что квантовые точки, получаемые данным методом, формируются главным образом независимо друг от друга и поэтому расположены нерегулярно в случайном месте подложки и всегда варьируют в некоторой степени по размеру. Необходимо повышение их однородности, упорядоченности и поверхностной концентрации. Кроме того, энергетический барьер в таких квантовых точках мал, и для проявления размерного квантования необходимы низкие температуры.

Техническим результатом изобретения является создание более эффективной технологии изготовления квантовых объектов; расширение диапазона используемых материалов; улучшение характеристик получаемых элементов - увеличение квантового барьера; возможность одновременно контролировать механические и электрические свойства объектов; возможность точного позиционирования единичных и массивов квантовых точек и элементов квантовых приборов; возможность прецизионно задавать размеры квантовых объектов.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления квантовых объектов (точек, проволок и элементов квантовых приборов), включающем выращивание напряженной пленки из материала, имеющего постоянную кристаллической решетки, большую, чем материал подложки, толщина напряженной пленки меньше критической и пленка выращивается псевдоморфной, а между напряженной пленкой и подложкой выращивается жертвенный слой, который затем селективно удаляется под заданной областью пленки, что освобождает часть пленки от связи с подложкой, и эта часть выпучивается или гофрируется, в результате чего меняется напряжение в пленке, что в свою очередь вызывает сдвиг дна зоны проводимости (вершины валентной зоны), приводящий к формированию локальной потенциальной ямы для носителей.

Напряженная пленка состоит из нескольких слоев разных веществ. Напряженная пленка состоит из слоя с преимущественным нахождением носителей заряда и слоя практически без носителей заряда. В качестве напряженной пленки используется многослойная структура из двух или более напряженных слоев, разделенных жертвенными слоями, и затем осуществляется частичное удаление жертвенных слоев.

Подчеркнем отличие нашего подхода получения квантоворазмерных объектов от стандартного. Обычно квантовые точки формируются, используя переход от двумерного роста к трехмерному (процесс Странского-Крастанова). Недостатки такого способа проанализированы в работе Кремера (Н.Kroemer, Inst. Phys. Conf. Ser. 166, 2000) и показана невозможность создания им отдельных прецизионных квантовых точек. С термодинамической точки зрения идеальный вариант создания квантовых точек должен быть основан на выращивании однородных пленок с последующим их структурированием. В нашем подходе используется именно эта последовательность, причем на этапах разборки и сборки структур используются процессы самоформирования.

На фиг.1 изображена схематичная иллюстрация метода изготовления простейшей тонкопленочной наногофрированной структуры: (а) - слой InAs в свободном состоянии. Латеральные размеры слоя превышают размеры подложки InP вследствие того, что постоянная решетки InAs больше постоянной решетки InP; (b) - в гетероструктуре InAs/AlAs/InP решетка InAs продолжает решетку массивной подложки (явление псевдоморфизма), вследствие чего слой InAs сжат, деформация приблизительно 3.1%; (с) - выпучивание (гофрировка) сжатого слоя InAs в результате упругой релаксации напряжений при его частичном удалении жертвенного слоя AlAs и освобождении сжатого слоя InAs от подложки.

Фиг.2. а) Геометрическая форма упругой пленки, испытывающей биаксиальное сжатие в закритической области. Расчет проводился для InAs пленки, выращенной на InP подложке и локально освобожденной от нее пленки InAs толщиной 4 нм. Несоответствие постоянных решеток у InAs и InP равно 3.2%. По осям OX и OY отложены геометрические размеры освобожденной пленки в плане, а по оси OZ - величина отклонения пленки от подложки, б) Форма первого инварианта тензора упругих механических напряжений, возникающих в срединной плоскости этой же упругой пленки. с) Показано изменение положения энергии зон проводимости Г, L и Х минимумов и валентных зон тяжелых и спин-орбитально расщепленных дырок вдоль прямой, проходящей через центр выпучивания. По оси OY отложена энергия, отсчитываемая от уровня вакуума.

Фиг.3. а) схема и б) фотография гофрированного края пленки.

Фиг.4. а) схема и б) фотография полоски пленки, гофрированной с обоих краев. Хорошо видны процессы упругого взаимодействия гофрировок и взаимной корреляции.

На фиг.5 схематично показан ход потенциала (изменение зоны проводимости) вдоль напряженной гофрированной пленки. Над графиками схематично изображена гофрированная пленка, а) для пленки, состоящей из двух веществ, с одним верхним проводящим и нижним изолирующим слоем, б) для пленки, состоящей из одного вещества.

Фиг.6. Электронно-микроскопические изображения поперечных сечений гофрированных InGaAs пленок:

(а) свободная гофрировка;

(б) гофрировка, амплитуда которой ограничена между подложкой и верхним слоем. В этой структуре напряженный слой InGaAs выращен между двумя жертвенными AlAs слоями (светлые области), подложка и верхний слой - GaAs; селективное удаление части жертвенных слоев приводит к гофрировке InGaAs слоя;

(в) сложная гофрированная система, в которой напряженный слой InGaAs выращен между двумя жертвенными AlAs слоями и гофрирование напряженного слоя InGaAs ограничено сверху менее напряженным слоем InGaAs. На нижней фотографии изображена структура, представляющая собой периодически чередующиеся расщепленные и нерасщепленные области (квантовые барьеры и ямы) трехслойной пленки;

1 - подложка, 2 - жертвенный слой, 3 - напряженная пленка, 4 - ограничивающий слой.

Фиг.7. Фотографии тонеллеподобных самосформированных периодически гофрированных SiGe и InGaAs пленок с разными периодами гофрировки.

Подход основан на использовании процессов самоформирования, происходящих при частичном отсоединении от подложки сжатых пленок. Современная эпитаксия позволяет из отдельных монослоев монослой за монослоем создавать сложные гетероструктуры из полупроводников, GaAs, InAs, AlAs, Si, Ge, GaP, GaSb, InSb, GaN, InN и т.д., твердых растворов на их основе, металлов, диэлектриков. Возможно выращивание как полупроводниковых гетероструктур, так и гибридных: металл-полупроводник, полупроводник-диэлектрик. Уникальной особенностью эпитаксиальных напряженных пленок является возможность достижения гигантских внутренних напряжений (деформаций). Зная несоответствие параметров решетки материалов и имея возможность выращивать твердые растворы, можно строго задавать упругие напряжения в гетерослоях в диапазоне от 0 до 10 ГПа (псевдоморфные слои). Внутреннее механическое напряжение задается тем, что гетероструктура формируется из монокристаллических материалов, имеющих различные постоянные решетки. При выращивании такой гетероструктуры на толстой монокристаллической подложке кристаллические решетки материалов подстраиваются друг под друга и решетку подложки. При этом происходит упругая деформация слоев гетероструктуры - слой из материала с большей постоянной решетки сжимается. Так, несоответствие параметров решетки InAs/GaAs Δа/а=7,2%, для Si/Ge Δа/а=4%, GaP/InAs Δа/а=11%. Поэтому слой InGaAs на подложке GaAs и слой SiGe на подложке Ge в исходном состоянии сжаты. Важно отметить, что молекулярные слои, выращенные таким образом, могут быть контролируемо расположены на заданном расстоянии друг от друга и иметь строго заданное несоответствие параметров решетки, т.е. заданную упругую деформацию.

Метод отделения ультратонких напряженных пленок от связи с подложкой основан на выращивании между напряженной гетероструктурой и подложкой жертвенного слоя (жертвенный слой должен состоять из вещества, которое можно удалить селективно относительно вещества напряженной пленки) и его последующем селективном удалении. Для доступа травителя к жертвенному слою в гетероструктуре формируют, например, с помощью литографии окна, сквозь которые травитель проникает к жертвенному слою и осуществляет селективное направленное боковое травление. При селективном удалении расположенного между двухслойной пленкой и подложкой жертвенного слоя гетеропленка освобождается от связи с подложкой. Межатомные силы в сжатом слое стремятся увеличить расстояние между атомами. При этом линейные размеры пленки увеличиваются, что приводит к изгибу-выпучиванию пленки (фиг.1).

Плоская форма сжатой пленки неустойчива и при отсоединении от подложки пленка стремится приобрести форму с минимальной энергией упругой деформации, приобретает выпуклую или гофрированную форму, образовывая одиночные или периодические структуры. Для определения формы освобожденной пленки и деформаций в пленке нужно, строго говоря, решать задачу теории упругости для оболочек, которая в случае больших деформаций сводится к решению сложных нелинейных дифференциальных уравнений Феппля - фон Кармана. Из эксперимента для наногофрированных структур и теории упругости для макрогофрированных известно, что их форма близка к синусоиде. Амплитуду этой синусоиды легко оценить. Упрощенную последовательность формирования выпуклой InAs пленки, освобожденной от связи с InP подложкой в локальной области длиной L, схематично иллюстрирует фиг.1. Исходная сжатая пленка при ее освобождении от связи с подложкой упруго релаксирует, увеличивая свою длину, и выпучивается с амплитудой А, которая зависит от длины L и несоответствия постоянных решеток Δа/а:

при Δа/а=5% амплитуда выпуклой области составляет примерно треть от длины.

В отсоединяемой пленке однородное напряжение преобразуется в неоднородные области локального растяжения и сжатия. При локальном отсоединении данных сжатых пленок от подложки пленки выпучиваются, удлиняются и сбрасывают упругие напряжения. При этом, разница напряжений в областях пленки, локально отсоединенных от подложки и связанных с подложкой, может достигать 10 ГПа. При изгибе внешние слои пленки растягиваются, внутренние сжимаются, что существенно изменяет ширину запрещенной зоны в данных областях (фиг.2а). Оценить возникающую деформацию ε и изменение ширины запрещенной зоны ΔЕ можно исходя из простых геометрических соображений. Деформация изогнутой пленки с радиусом изгиба R равна разности длин внешней и внутренней окружностей (2πR₁-2πR₂)/2πR=d/R=ε. При этом в тонких пленках деформация может достигать величины до 10%. Такая гигантская деформация существенно изменяет ширину запрещенной зоны в месте изгиба, создавая потенциальную яму. Напряжения сжатия и растяжения в местах изгиба пленки в гофрированных структурах вызывают локальные сдвиги краев зон, изменение ширины запрещенной зоны, следовательно, формируют потенциальные ямы и барьеры нанометровых размеров. Размер квантовой точки существенно меньше, чем размер отсоединяемой области пленки, за счет того, что минимум потенциальной энергии локализуется точно в вершине - в центре отсоединенной области. Как показали расчеты, при периодах гофрировки свыше 100 нм электронные состояния локализованы в отдельных ямах. При уменьшении периода система может рассматриваться как система взаимодействующих квантовых точек. Энергетическое положение уровней изменяется в зависимости от толщины пленки и периода гофрировки.

Глубину потенциальной ямы можно оценить, используя зависимость между деформацией (ε=Δ1/1) и вызываемые ею изменения дна зоны проводимости. Изменения ширины запрещенной зоны ΔE (в простейшем случае) связаны с деформацией ε и величиной деформационного потенциала а_с соотношением ΔE=εа_с.

ΔЕ_с=а_сΔ1/1=а_сd/R

Δ1/1=d/R

где a_c - деформационный потенциал, R - радиус кривизны, d - толщина пленки.

При толщине пленки в 1 нм и радиусе изгиба 10 нм, при величине деформационного потенциала 8 eV глубина ямы - 0,8 eV. При такой глубокой яме и характерных размерах 1 нм квантовые явления будут наблюдаться и при комнатной температуре (длина волны де-Бройля 80 нм для InAs). Таким образом, переход к более тонким пленкам приводит к качественным изменениям - потенциальная яма углубляется и сужается, так как можно использовать более напряженную пленку. Тонкие пленки могут быть выращены с большей величиной деформации (псевдоморфные). Для системы InGaAs на GaAs: при толщине 2 монослоя максимальная деформация - 7,2% (чистый InAs на GaAs), при толщине 4 монослоя максимальная деформация - 4% (In_0,4Ga_0,6As на GaAs).

Созданы периодически гофрированные наноструктуры на основе сверхтонких напряженных полупроводниковых и металлических пленок и гетеропленок (InAs, InP, InSb, InGaAs/GaAs, SiGe/Si и т.д.).

Выпучивания освобожденной от подложки пленки могут быть как одиночными, так и периодическими, в зависимости от области удаленного жертвенного слоя. Если делать точечное окно для доступа травителя к жертвенному слою, то жертвенный слой травится вокруг, и пленка выпучивается в виде одиночного купола. Один из вариантов - на подложке GaAs молекулярной эпитаксией выращивали жертвенный слой AlAs и напряженный слой InGaAs. Как правило, верхний напряженный слой содержал некоторое количество дефектов. Через точечные дефекты в верхнем слое обеспечивается доступ травителя к жертвенному слою AlAs, который растворяется в травителе, содержащем плавиковую кислоту. При травлении в растворе HF растворяются участки жертвенного слоя вокруг точечных дефектов, таким образом часть верхней напряженной пленки InGaAs освобождается от связи с подложкой, напряженная пленка релаксирует и выгибается в виде бугра-купола (фиг.3а).

В таких квантовых структурах существенную роль будет играть квантование, вызванное толщиной пленки. При толщинах пленок в несколько монослоев Х электронные состояния вследствие большей эффективной массы и эффектов квантования опускаются ниже Г электронных состояний, т.е. полупроводник из прямозонного становится непрямозонным. Даже без учета квантования по толщине Х минимумы зоны проводимости сильно опускаются за счет деформации. При этом, тогда как для пленки толщиной 4 нм Х минимумы в направлении сжатия смещаются примерно на 0.5 эВ, Х минимумы, перпендикулярные сжатию, только на 0.1 эВ. Наличие деформаций приводит к увеличению значения критической толщины пленки, при которой происходит изменение типа полупроводника из прямозонного в непрямозонный. Более того, деформирование структуры по направлениям <111>, а не <100>, приведет к тому, что дно зоны проводимости будет формироваться L минимумами (фиг.3с). Таким образом, методом самоформирования можно получать трехмерные свободностоящие квантовые структуры, электронные свойства которых можно варьировать в широком диапазоне.

Если делать окно для доступа травителя к жертвенному слою в виде линии, то жертвенный слой удаляется вдоль этой линии, и освобожденный край напряженной пленки гофрируется.

Для А3В5 структур. На GaAs (100) подложке с помощью молекулярной эпитаксии выращивали структуру: жертвенный слой AlAs 10 нм, напряженный сжатый слой In_0,2Ga_0,8As 8 нм. С помощью литографии делали литографические окна в виде линий и через них удаляли верхний слой, чтобы обеспечить доступ селективного травителя к жертвенному слою AlAs. Селективное травление выполняли в 5% водном растворе плавиковой кислоты (HF). Травитель через окна проникал к жертвенному слою AlAs и растворял его, напряженный сжатый слой InGaAs освобождался от связи с подложкой и расширялся, в результате чего происходило выпучивание освобожденных участков слоя InGaAs. Поскольку, в данном случае, толщина жертвенного слоя меньше равновесной амплитуды гофрировки, то гофрированная пленка снизу касалась подложки (фиг.4).

На кремниевой подложке (100) выращивали эпитаксиальную структуру - р+ Si_0,6Ge_0,4 - 8 нм. Жертвенным слоем служит сама подложка, так как сильно легированный р+ кремний/германий практически не травится в аммиачных травителях. С помощью литографии оставляли полосы напряженной пленки. При травлении в растворе аммиака материал подложки, незащищенный верхней пленкой, удалялся, при этом полоска SiGe пленки остается свободно висящей и закрепленной на остатке подложки под центром полосы. Так как пленка SiGe была первоначально сжатой, то теперь в свободном от подложки состоянии она расширяется и выпучивается, принимает равновесную форму гофрировки синусоидальной формы (фиг.5). Хорошо видно, что максимумы (выпуклости) одной расположены напротив минимумов другой.

В случае с толстым жертвенным слоем или когда жертвенным слоем является подложка, гофрированная пленка находится в свободном состоянии, т.е. не касается подложки, форма гофрированной пленки является равновесной. Период и амплитуда однозначно определяются толщиной пленки, внутренними напряжениями в пленке и шириной полоски, освобожденной от связи с подложкой. Толщина и напряженность пленки прецизионно задаются в процессе роста-осаждения, так в процессе эпитаксиального роста толщина пленки контролируется и задается с точностью до атомного монослоя. Напряженность пленки определяется разницей в постоянных атомной решетки пленки и подложки, что определяется составом осаждаемой пленки, который также чрезвычайно точно задается в процессе роста. Ширина полоски пленки, освобожденной от связи с подложкой, определяется временем травления жертвенного слоя и составом используемого травителя, что также задается весьма точно.

Отсоединенная от подложки сжатая пленка может быть как однослойной, так и многослойной. Для того чтобы увеличить глубину энергетического барьера у получаемых квантовых точек, использовали вместо напряженной пленки - напряженную бипленку, состоящую из веществ с разной шириной запрещенной зоны. Тогда электроны локализуются в основном в слое более узкозонного материала. Наиболее наглядно роль гофрировки иллюстрируется для случая бипленки с одним проводящим (верхним на фиг.5б) и изолирующим слоями. Очевидно, что проводящий слой в областях 1 пленки растянут, а в 2 сжат, причем при малом радиусе изгиба эти деформации могут достигать предельных величин, а соответственно, вызывать большие сдвиги краев зон, причем в противоположных направлениях в областях 1 и 2 (фиг.2б). Таким образом, при переходе в нанометровую область гофрированная система представляет собой периодические потенциальные ямы достаточно большой глубины.

Например, на кремниевой подложке методом химического осаждения из газовой фазы мы выращивали напряженную пленку Si_0,5Ge_0,5 10 нм, на нее наносили слой диэлектрика Si₃N₄ либо SiO₂. При травлении в растворе аммиака материал подложки растворялся вокруг литографического окна, при этом полоска пленки SiGe/Si₃Н₄ остается свободно висящей и закрепленной на подложке только одной стороной, выпучивается и принимает равновесную форму гофрировки. В этом случае для расчета положения электронов слой диэлектрика можно не рассматривать, так как практически все свободные электроны расположены в слое SiGe. To есть квантовые точки (энергетические ямы) находятся в минимумах синусоиды гофрировки, так как именно там слой SiGe наиболее растянут.

На GaAs (100) подложке с помощью молекулярной эпитаксии выращивали структуру: жертвенный слой AlAs 20 нм, слой GaAs 3 нм, напряженный сжатый слой In_0,3Ga_0,7As 4 нм. С помощью литографии вскрывали окна до жертвенного слоя. Травление выполняли в 2% водном растворе HF в течение 10 секунд. Травитель через окна проникал к жертвенному слою AlAs и растворял его. Подтравливание происходило на глубину около 1 мкм от края литографического окна. Напряженный сжатый бислой GaAs/InGaAs освобождался от связи с подложкой и расширялся, принимал форму гофрировки. Поскольку ширина запрещенной зоны в GaAs больше, чем в InGaAs, то слой GaAs обеднен свободными электронами, и для того чтобы определить преимущественное расположение электронов, достаточно рассмотреть распределение напряжений в InGaAs. Слой InGaAs наиболее растянут в максимумах синусоиды гофрировки, следовательно, там располагаются энергетические ямы и в основном находятся свободные электроны (фиг.2б, фиг.4).

Для достижения прецизионности мы вводили ограничение на амплитуду гофрировок. Для этого на этапе молекулярной эпитаксии в структуру дополнительно вводятся расположенные выше и ниже на заданном расстоянии от напряженного слоя, ненапряженные слои, которые и ограничивают амплитуду фиг.6б. Подчеркнем, что поскольку молекулярная эпитаксия позволяет задавать толщину эпитаксиальных слоев, а соответственно, и расстояние между слоями с атомарной точностью, то получаемые вышеописанным способом гофрировки имеют прецизионный период и амплитуду.

Рассмотрим другой, обнаруженный нами способ самоформирования системы квантовых точек и барьеров. В основе способа лежит расщепление трехслойной пленки, содержащей два напряженных слоя, разделенных жертвенным слоем. Молекулярно-лучевой эпитаксией была выращена многослойная структура, состоящая из чередующихся сжатых и жертвенных слоев подложка/AlAs/InGaAs/AlAs/GaAs. На первом этапе в результате быстрого травления толстого жертвенного слоя AlAs происходит отсоединение от подложки и выпучивание сжатой InGaAs пленки и связанных с ней вышележащих слоев AlAs/GaAs. Образуется выпучивание с латеральным размером 700 нм. На втором этапе происходит расщепление изогнутой InGaAs/AlAs/GaAs пленки за счет вытравливания ее тонкого внутреннего слоя AlAs. Подчеркнем, что первичное и вторичное выпучивания скоррелированы, т.е. локализация вторичного происходит в максимуме первичного, т.к. именно здесь внутренние напряжения InGaAs пленки превышают пороговое. Видно, что отсоединившийся напряженный InGaAs слой упруго релаксирует и прижимается к подложке (фиг.6в). В подобных структурах с более тонким напряженным InGaAs слоем возможно образование периодичной цепочки вторичных выпучиваний (фиг.6в, фото снизу).

В результате процессов самоорганизации образуется цепочка периодически расположенных "нерасщепленных" и "расщепленных" областей, толщина которых и соответственно уровни размерного квантования отличаются. Особенно большое отличие получается для тонких пленок. Энергия основного квантового уровня E₁=h²/8mL²(n=1) и для пленки толщиной 4 ML равна 2 эВ, а для пленки толщиной 8 ML - 1 эВ. Это означает, что глубина потенциальной ямы для электрона для таких пленок значительна и достигает величины порядка 1 эВ, причем расщепленные области представляют собой квантовые барьеры, а расположенные между ними области трехслойной пленки - потенциальные ямы. Образуется цепочка ям и барьеров. Следует подчеркнуть, что образованные потенциальные ямы глубоки и локализованы в малых областях с размерами, меньшими, чем полупериод гофрировки, и меньшими, чем длина волны де Бройля (80 нм для InAs при комнатной температуре).

Мы установили условия, при которых осуществляется переход в другой режим гофрирования. Если, начиная с какого-то этапа, удалять только тонкий жертвенный слой, не удаляя саму подложку, то образующаяся гофрировка окажется лежащей на подложке. Она уже не имеет возможности распространяться вниз в сторону подложки, в результате только прижимается к ней нижними выпуклостями. При этом формируется массив тоннелеподобных "ангаров" (фиг.7). Период этой конструкции совпадает с периодом свободных гофрировок, т.е. для того чтобы получить заданный период тоннелеподобной конструкции, необходимо сначала сформировать свободную гофрировку с заданным периодом. Длина "ангара" увеличивается по мере травления. При достижении некоторой критической длины прямолинейное распространение тоннеля нарушается, начинается зигзагообразное распространение. Причину этого легко понять, если учесть, что вдоль тоннеля напряженная сжатая пленка остается сжатой, причем энергия данной упругой деформации растет по мере удлинения тоннеля. Это приводит в итоге к образованию гофрированного зигзагообразного тоннеля. Данные зигзагообразные тоннели упруго взаимодействуют друг с другом. Например, они не соединяются, отражаются от препятствий, которым может быть другая гофрировка. Интересным эффектом является фазировка, т.е. две рядом расположенные гофрировки в результате упругого взаимодействия между ними приобретают одну и ту же фазу колебаний (колеблются синхронно). Тоннелеподобные зигзагообразные гофрировки могут распространяться на большие расстояния, длина в сотни раз больше, чем период. При параллельном их распространении они заполняют всю область поверхности (фиг.7). По аналогии со свободными гофрировками зигзагообразные тоннелеподобные гофрировки можно использовать для создания квантовых объектов. В вершинах тоннелей пленка растянута, таким образом, они представляют собой квантовые нити.

Точность и периодичность расположения квантовых нитей и точек достигается за счет предельной точности задания толщины напыляемых пленок (используя молекулярно лучевую эпитаксию, толщина задается практически с точностью размера атома), а также за счет предельной точности задания напряжения пленке, которое определяется разницей в параметрах кристаллической решетки эпитаксиальных слоев и подложки, которая точно известна для разных веществ. Прецизионность в воспроизведении амплитуды и периода гофрировки обеспечивается тем, что периодичная форма пленки, при которой равновесная форма (собственная форма) достигается при минимуме упругой энергии, и отсутствуют внешние воздействия.

1. Способ изготовления квантовых объектов (точек, проволок и элементов квантовых приборов), включающий выращивание напряженной пленки из материала, имеющего постоянную кристаллической решетки большую, чем материал подложки, отличающийся тем, что толщина напряженной пленки меньше критической и пленка выращивается псевдоморфной, а между напряженной пленкой и подложкой выращивается жертвенный слой, который затем селективно удаляется под заданной областью пленки, что освобождает часть пленки от связи с подложкой, и эта часть выпучивается или гофрируется, в результате чего меняется напряжение в пленке, что, в свою очередь, вызывает сдвиг дна зоны проводимости (вершины валентной зоны), приводящий к формированию локальной потенциальной ямы для носителей.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что напряженная пленка состоит из нескольких слоев разных веществ.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что напряженная пленка состоит из слоя с преимущественным нахождением носителей заряда и слоя практически без носителей заряда.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве напряженной пленки используется многослойная структура из двух или более напряженных слоев, разделенных жертвенными слоями, и затем осуществляется частичное удаление жертвенных слоев.