СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МАССИВОВ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК ПОВЫШЕННОЙ ПЛОТНОСТИ Российский патент 2015 года по МПК B82B3/00 

Изобретение относится к области формирования полупроводниковых наноструктур для использования в различных оптоэлектронных устройствах, а более конкретно к области формирования массивов полупроводниковых квантовых точек высокой плотности для использования в солнечных элементах и других оптоэлектронных устройствах, принцип действия которых основан на поглощении света.

Полупроводниковые квантовые точки представляют собой локальные внедрения более узкозонного материала в матрицу более широкозонного материала, обладающие размерами, достаточно малыми (порядка 10 нм) для того, чтобы в них проявлялись эффекты трехмерного квантования. По сравнению с толстыми слоями полупроводникового материала, а также квантовыми ямами, в которых имеет место квантование только в одном направлении, массивы квантовых точек обладают значительными преимуществами для использования в приборах оптоэлектроники. В первую очередь, благодаря малым размерам, материал квантовых точек может заметно отличаться значением своей постоянной кристаллической решетки от материала матрицы. Это позволяет в широких пределах варьировать химический состав материала квантовых точек, позволяя перекрывать более широкий, по сравнению с квантовыми ямами, спектральный диапазон.

Известен способ получения твердофазных наноструктурированных материалов с использованием образующих матрицу мезопористых молекулярных сит с упорядоченной структурой, см. патент RU №2179526. Ими могут служить, например, молекулярные сита МСМ-41, FSM-16. При получении непористых материалов вещество наносят на сита в количестве, достаточном для полного заполнения мезопор матрицы. При получении пористых материалов вещество наносят в количестве, недостаточном для полного заполнения мезопор матрицы. При получении полых или сплошных наноструктурированных материалов, например углеродных нанотрубок, образующую матрицу удаляют в кислотной или щелочной среде. При получении углеродных наноструктурированных материалов углерод после нанесения на матрицу подвергают дополнительно графитизации. Полученные материалы имеют постоянные и контролируемые размеры: внешний диаметр 3-150 нм в зависимости от размера пор образующей матрицы, внутренний диаметр 0-140 нм. Также описана возможность получения наноструктур, в частности нанотрубок, методом малоэнергоемкого процесса пиролиза углеродсодержащих предшественников при температурах 500-600°C. Недостатком данного метода является то, что для получения материалов используются химические методы, в частности темплатирование.

Известен способ получения магнитных нанокомпозитных материалов с упорядоченной структурой по патенту RU №2322384. В данном способе получения магнитных нанокомпозитных материалов с упорядоченной структурой для осуществления синтеза нитевидных наночастиц металлов, сплавов металлов и металлсодержащих наночастиц в матрице мезопористого оксида кремния в водный раствор алкилтриметиламоний бромида (темплат) добавляют концентрированный водный раствор аммиака до достижения смесью уровня кислотности не более 11, к полученной смеси гомогенно приливают тетраэтоксисилан (TEOS) и перемешивают смесь до получения осадка, осадок отфильтровывают, избытки аммиака удаляют из осадка промыванием дистиллированной водой до уровня кислотности 5-8 и высушивают при температуре 80-120°C, высушенный осадок при комнатной температуре пропитывают раствором комплекса металла, пропитанный образец промывают растворителем до удаления остатков раствора комплекса металла с поверхности образца, высушивают в потоке инертного газа, облучают ультрафиолетовым излучением, а затем отжигают в восстановительной среде при температурах 250-700°C до изменения цвета. Недостатком способа является низкая технологичность (использование химических методов) и необходимость использования дорогостоящих оборудования и химических реагентов.

Известен способ получения наноструктур полупроводника, включающий формирование пористой матрицы из оксидов металлов или неметаллов с последующим осаждением в матрицу полупроводниковых материалов, отличающийся тем, что формирование матрицы осуществляют путем двухстадийного анодного окисления исходного материала матрицы до образования упорядоченно расположенной структуры нанопор, а полупроводник осаждают в матрицу термическим испарением его в вакууме, затем на заполненную матрицу наносят проводящую основу в виде пленки с последующим удалением матрицы, см. патент RU №2385835.

Известен способ формирования массивов квантовых точек, основанный на использовании эффектов самоорганизации при осаждении материалов, отличающихся значением постоянной решетки [Goldstein, L., Glas, F., Marzin, J.Y, Charasse, M.N., Le Roux, G. "Growth by molecular beam epitaxy and characterization of InAs/GaAs strained-layer superlattices": Appl. Phys. Lett. 47 (1985) 1099]. При превышении критической толщины двумерного роста имеет место формирование трехмерных островков. Такой механизм роста также называется ростом по Странскому-Крастанову. После заращивания образующихся трехмерных островков слоем более широкозонного материала они могут рассматриваться в качестве массива квантовых точек. Достоинствами метода является возможность формирования квантовых точек непосредственно в процессе эпитаксиального выращивания, избегая внесения дефектов и различных повреждений, которые могут возникать в процессе травления.

Преимущества квантовых точек, формируемых по механизму Странского-Крастанова, над квантовыми ямами продемонстрированы к настоящему времени при их использовании в качестве активной области лазерных диодов. В то же время в оптоэлектронных устройствах, принцип действия которых основан на поглощении света (например, солнечные элементы), квантовые точки до настоящего времени не получили широкого распространения. Причина заключается в низком коэффициенте поглощения квантовых точек, который, в свою очередь, обусловлен малой поверхностной плотностью формируемых массивов квантовых точек. Типичная поверхностная плотность массива квантовых точек, формируемого по механизму Странского-Крастанова, составляет (3-5)*10¹⁰ см^-2.

Известно, что изменения условий осаждения квантовых точек (температуры, давления мышьяка, и/или скорости роста) позволяет варьировать в некоторых пределах их поверхностную плотность. Однако результатом является лишь незначительное изменение плотности образующегося массива по сравнению со стандартными условиями, тогда как изменения условий осаждения оказывают заметное влияние на другие параметры массива квантовых точек, прежде всего на концентрацию центров безызлучательной рекомбинации.

Известен способ (так называемый «стэкинг») увеличения поверхностной плотности массива квантовых точек с помощью последовательного осаждения в активной области прибора нескольких идентичных массивов квантовых точек, разделенных прослойками (спейсерами) ненапряженного материала [А.Ю. Егоров, А.Е. Жуков, П.С. Копьев, Н.Н. Леденцов, М.В. Максимов, В.М. Устинов, А.Ф. Цацульников, Н.А. Берт, А.О. Косогов, Д. Бимберг, Ж.И. Алферов. «Формирование вертикально совмещенных массивов напряженных квантовых точек InAs в матрице GaAs(100)», ФТП 30 (9), 1682-1690 (1996)]. Достоинством метода является возможность существенного (в 10 раз) увеличения плотности массива квантовых точек по сравнению со случаем одиночного массива. Недостатком метода является необходимость использования достаточно толстых (типично около 30 нм) спейсеров для предотвращения образования дислокаций несоответствия. В результате первые и последние плоскости квантовых точек оказываются вне максимума стоячей волны в активной области оптоэлектронного прибора.

Известен способ [A.R. Kovsh, А.Е. Zhukov, A.Yu. Egorov, V.M. Ustinov, Yu.M. Shernyakov, M.V. Maximov, V.V. Volovik, A.R Tsatsul'nikov, Yu.V. Musikhin, N.N. Ledentsov, P.S. Kop'ev, D. Bimberg, Zh.l. Alferov, Molecular beam epitaxy (MBE) growth of composite (In, Al)As/(In, Ga)As vertically coupled quantum dots and their application in injection lasers, J. Cryst. Growth 201-202 (1) (1999) pp.1117-1120] увеличения поверхностной плотности массива квантовых точек с помощью использования InAlAs в качестве материала, формирующего квантовые точки, вместо традиционно используемого InAs или InGaAs. В результате поверхностная плотность массива квантовых точек возрастает до (1-2)*10¹¹ см^-2. Недостатком метода является большая ширина запрещенной зоны материала квантовых точек, что ограничивает их применение в большинстве оптоэлектронных приборов.

Известен способ [А.Ю. Егоров, А.Е. Жуков, П.С. Копьев, Н.Н. Леденцов, М.В. Максимов, В.М. Устинов. Выращивание квантово-размерных гетероструктур (In, Ga)As/GaAs методом осаждения "субмонослойных" напряженных слоев InAs, ФТП, т.28, вып.4, стр.604-610 (1994)] (так называемое «субмонослойное осаждение») увеличения поверхностной плотности массива квантовых точек с помощью последовательного осаждения нескольких слоев InAs, эффективная толщина которых не превышает 1 монослой (типично около 0.5 монослоев), разделенных прослойками GaAs толщиной в несколько монослоев. В результате такого режима осаждения формируются так называемые «субмонослойные» квантовые точки, плотность которых составляет (4-7)*10¹¹ см^-2, т.е. в 10 раз превосходит поверхностную плотность квантовых точек, формируемых традиционным способом по механизму Странского-Крастанова. Недостатком метода является ограниченный диапазон длин волн (0.9-1 мкм), который может быть перекрыт с помощью таких «субмонослойных» квантовых точек.

Наконец, известен способ [A.R. Kovsh, А.Е. Zhukov, A.Yu. Egorov, V.M. Ustinov, Yu.M. Shernyakov, M.V. Maximov, V.V. Volovik, A.F. Tsatsul'nikov, Yu.V. Musikhin, N.N. Ledentsov, P.S. Kop'ev, D. Bimberg, Zh.l. Alferov, Molecular beam epitaxy (MBE) growth of composite (In, Al)As/(In,Ga)As vertically coupled quantum dots and their application in injection lasers, J. Cryst. Growth 201-202 (1) (1999) pp.1117-1120] (так называемый «сидинг») увеличения поверхностной плотности массива квантовых точек с помощью использования первичного (зародышевого) слоя квантовых точек высокой плотности, формируемого с использованием материала InAlAs, и наследующего слоя(слоев) квантовых точек, формируемого с использованием материала InAs или InGaAs. За счет использования InAlAs в зародышевом слое образуется массив квантовых точек высокой плотности. В том случае, если используются достаточно тонкие (толщиной несколько нм) прослойки ненапряженного материала, наследующие слои квантовых точек также формируются обладающими высокой поверхностной плотностью. Достоинством метода является возможность использования традиционных для квантовых точек узкозонных материалов, что позволяет достичь длин волн оптической активности в диапазоне примерно от 1.1 до 1.3 мкм. Недостатком является относительно небольшое увеличение поверхностной плотности массива - в 3-4 раза по сравнению с квантовыми точками, сформированными по механизму Странского-Крастанова без использования «сидинга».

Данное техническое решение принято нами в качестве прототипа заявленного способа.

Все известные аналоги не позволяют удовлетворить потребность в существенном увеличении поверхностной плотности массивов квантовых точек, которые при этом обладали бы оптической активностью в длинноволновом диапазоне.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа формирования массива квантовых точек, который позволяет обеспечить сочетание плотности квантовых точек на уровне около 5*10¹¹ см^-2 с возможностью варьировать длину волны оптической активности в широких пределах от приблизительно 1.05 мкм до приблизительно 1.35 мкм.

Сущность изобретения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше технического результата.

Способ формирования массива квантовых точек повышенной плотности, включающий формирование зародышевого ряда квантовых точек с помощью последовательного осаждения нескольких пар слоев, каждая из которых включает субмонослойный слой напряженного материала, толщина которого не превышает один монослой, и разделительный слой ненапряженного материала, толщина которого составляет несколько монослоев, характеризуется тем, что осуществляют осаждение промежуточного слоя ненапряженного материала с толщиной, достаточно малой для проникновения сквозь него полей напряжения зародышевого ряда, после чего формируют наследующие ряды квантовых точек с помощью осаждения по крайней мере одного слоя напряженного материала, толщина которого превосходит критическую толщину островкового роста.

В этом заключается совокупность существенных признаков, обеспечивающая получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Кроме того, заявленное решение характеризуется рядом дополнительных факультативных признаков, а именно:

- квантовые точки наследующего ряда покрывают напряженной квантовой ямой;

- в качестве напряженного материала используют InAs, а в качестве ненапряженного материала используют GaAs;

- в качестве напряженного материала используют InAs, а в качестве ненапряженного материала используют Al_xGa_1-xAs, где x не превосходит 0.4;

- количество пар слоев, используемых для формирования зародышевого ряда квантовых точек, выбирают от 7 до 12, при этом толщина слоев, используемых для формирования зародышевого ряда квантовых точек, выбирают для субмонослойных напряженных слоев от 0.3 до 0.6 монослоев, а для разделительных ненапряженных слоев от 2 до 3 монослоев, причем толщину промежуточного слоя ненапряженного материала выбирают от 1 до 4 нанометров, а толщину слоя напряженного материала, используемого для формирования наследующего ряда квантовых точек, выбирают от 1.6 до 3 монослоев;

- квантовые точки наследующего ряда покрывают напряженной квантовой ямой In_y(GaAl)_1-yAs толщиной от 4 до 10 нм, где y составляет от 0.1 до 0.3.

За счет реализации отличительных признаков изобретения достигается технический результат, заключающийся в том, что вследствие влияния полей упругих напряжений, порождаемых «субмонослойными» квантовыми точками зародышевого ряда, при формировании квантовых точек наследующего ряда энергетически выгодным оказывается их расположение в тех местах, которые непосредственно располагаются над вершинами квантовых точек зародышевого ряда. В результате квантовые точки наследующего ряда имеют ту же высокую поверхностную плотность, что и квантовые точки зародышевого ряда. С другой стороны, поскольку поверхностная плотность квантовых точек зародышевого ряда, формируемого методом субмонослойного осаждения, составляет около 5*10¹¹ см^-2, то и поверхностная плотность квантовых точек наследующего ряда также высока, на порядок превосходя значения, характерные для квантовых точек, формируемых традиционным методом по механизму Странского-Крастанова. При этом, поскольку квантовые точки наследующего ряда формируются за счет осаждения напряженного материала в количестве, превосходящем критическую толщину островкового роста, образующиеся квантовые точки проявляют оптическую активность на длинах волн, характерных для квантовых точек, формируемых традиционным методом по механизму Странского-Крастанова. Таким образом, заявленное техническое решения сочетает достоинства известных аналогов и прототипа, позволяя при этом избежать недостатков обоих.

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 схематически показан массив квантовых точек, формируемый с помощью способа осаждения "субмонослойных" напряженных слоев InAs, на фиг.2 схематически показан массив квантовых точек, формируемый с помощью метода «сидинга», на фиг.3 схематически показан массив квантовых точек, формируемый с помощью заявляемого способа, на фиг.4 схематически показан массив квантовых точек, формируемый с помощью варианта заявляемого способа, на фиг.6а показана полученная методом просвечивающей электронной микроскопии микрофотография массива квантовых точек, сформированного известным способом по механизму Странского-Крастанова, на фиг.5б показан соответствующий спектр фотолюминесценции квантовых точек, на фиг.6а показана полученная методом просвечивающей электронной микроскопии микрофотография массива квантовых точек, сформированного с помощью способа-прототипа, на фиг.6б показан соответствующий спектр фотолюминесценции квантовых точек, на фиг.7а показана полученная методом просвечивающей электронной микроскопии микрофотография массива квантовых точек, сформированного с помощью заявляемого способа, на фиг.7б показан соответствующий спектр фотолюминесценции квантовых точек.

Изображенный на фиг.2 массив квантовых точек, формируемый с помощью метода «сидинга», формируется с помощью осаждения зародышевого ряда квантовых точек 4 с помощью осаждения напряженного материала In_0.5Al_0.5As, толщина которого превосходит критическую толщину островкового роста; последующего осаждения промежуточного слоя 5 ненапряженного материала GaAs либо AlGaAs, толщина которого достаточно мала для проникновения сквозь него полей напряжения зародышевого ряда; формирования наследующего ряда квантовых точек 6 с помощью осаждения слоя напряженного материала InAs либо In_0.5Ga_0.5As, толщина которого превосходит критическую толщину островкового роста.

В этом решении увеличенная поверхностная плотность квантовых точек зародышевого ряда достигается за счет особенностей формирования алюминий-содержащих квантовых точек In_0.5Al_0.5As по механизму Странского-Крастанова. Толщина осаждаемого слоя In_0.5Al_0.5As типично составляет 4-6 монослоев, что превосходит критическую толщину островкового роста для In_0.5Al_0.5As. При этом сами квантовые точки зародышевого ряда не являются оптически активными, поскольку их ширина запрещенной зоны намного превосходит ширину запрещенной зоны InAs либо In_0.5Ga_0.5As. Толщина промежуточного слоя типично составляет 3-5 нм, что позволяет полям упругих напряжений, образующихся вследствие формирования квантовых точек зародышевого ряда, проникать сквозь промежуточный слой и оказывать влияние на формирование квантовых точек наследующего ряда. При их формировании энергетически выгодным оказывается расположение квантовых точек в тех местах, которые непосредственно располагаются над вершинами квантовых точек зародышевого ряда. В результате квантовые точки наследующего ряда имеют ту же повышенную поверхностную плотность, что и квантовые точки зародышевого ряда, будучи при этом сформированными из узкозонного материала InAs либо In_0.5Ga_0.5As. Достоинством этого метода является возможность использовать для формирования оптически-активных квантовых точек узкозонные материалы InAs или In_0.5Ga_0.5As, достигая при этом длины волны в спектральном диапазоне около 1.1-1.3 мкм. Недостатком является относительно небольшое (в 3-4 раза) увеличение поверхностной плотности массива по сравнению с традиционным методом формирования квантовых точек по механизму Странского-Крастанова.

Способ формирования массивов квантовых точек повышенной плотности, открытый авторами настоящего изобретения, сочетает достоинства аналогов и прототипа, позволяя при этом избежать их основных недостатков.

Изображенный на фиг.3 массив квантовых точек сформирован с помощью заявляемого способа.

Способ включает формирование зародышевого ряда квантовых точек 3, 4 с помощью последовательного осаждения нескольких (N) пар слоев, причем каждая такая пара включает субмонослойный слой напряженного материала (1а, 2а и так далее до Na), толщина которого не превышает один монослой, и разделительный слой ненапряженного материала (1b, 2b и так далее до Nb), толщина которого составляет несколько монослоев. В результате их последовательного осаждения образуется массив «субмонослойных» квантовых точек 3 высокой плотности, которые служат зародышевым рядом квантовых точек 4 для последующих стадий формирования.

Далее способ формирования включает осаждение промежуточного слоя ненапряженного материала 5, толщина которого достаточно мала для проникновения сквозь него полей напряжения зародышевого ряда. Поля упругих напряжений, образующиеся от «субмонослойных» квантовых точек зародышевого ряда будут, следовательно, оказывать влияние на процессы эпитаксиального роста, происходящие на поверхности промежуточного слоя.

В заключительной стадии способ формирования включает формирование наследующего ряда квантовых точек 6 с помощью осаждения по крайней мере одного слоя напряженного материала, толщина которого превосходит критическую толщину островкового роста. Вследствие влияния полей упругих напряжений, порождаемых «субмонослойными» квантовыми точками зародышевого ряда, при формировании квантовых точек наследующего ряда энергетически выгодным оказывается их расположение в тех местах, которые непосредственно располагаются над вершинами квантовых точек зародышевого ряда. В результате квантовые точки наследующего ряда имеют ту же высокую поверхностную плотность, что и квантовые точки зародышевого ряда.

Поскольку поверхностная плотность квантовых точек зародышевого ряда, формируемого методом субмонослойного осаждения, составляет около 5*10¹¹ см^-2, то и поверхностная плотность квантовых точек наследующего ряда также высока, на порядок превосходя значения, характерные для квантовых точек, формируемых традиционным методом по механизму Странского-Крастанова. При этом, поскольку квантовые точки наследующего ряда формируются за счет осаждения напряженного материала в количестве, превосходящем критическую толщину островкового роста, образующиеся квантовые точки проявляют оптическую активность на длинах волн, характерных для квантовых точек, формируемых традиционным методом по механизму Странского-Крастанова.

Массив квантовых точек, сформированный с использованием варианта заявляемого способа, схематически проиллюстрирован на фиг.4. Вариант способа формирования квантовых точек отличается от ранее описанного и проиллюстрированного на фиг.3 тем, что квантовые точки наследующего ряда 6 покрывают напряженной квантовой ямой 7. Использование покрывающей квантовой ямы позволяет расширить область оптической активности квантовых точек в длинноволновую область спектра.

Предпочтительным является использование InAs в качестве напряженного материала и GaAs в качестве ненапряженного материала.

В некоторых случаях желательным является более сильное разделение длин волн зародышевого и наследующего рядов квантовых точек. В этом случае предпочтительным в качестве ненапряженного материала является использование тройного твердого раствора Al_xGa_1-xAs, причем x не превосходит 0.4.

Предпочтительным является использование для формирования зародышевого ряда квантовых точек от 7 до 12 пар слоев, при этом предпочтительно использовать субмонослойные напряженные слои толщиной от 0.3 до 0.6 монослоев и разделительные ненапряженные слои толщиной от 2 до 3 монослоев. При этом поверхностная плотность зародышевого ряда квантовых точек составляет около 5*10¹¹ см^-2, а длина волны оптической активности квантовых точек зародышевого ряда лежит в спектральном диапазоне 0.9-1 мкм в случае использования GaAs в качестве ненапряженного материала или в диапазоне от 0.75 до 0.9 мкм в случае использования AlGaAs в качестве ненапряженного материала

Предпочтительным является использование промежуточного слоя ненапряженного материала толщиной от 1 до 4 нанометров. При использовании меньшей толщины промежуточного слоя повышается вероятность формирования дислокаций, при использовании большей толщины влияние полей упругих напряжений зародышевого ряда снижается, что приводит к уменьшению поверхностной плотности квантовых точек наследующего ряда.

Предпочтительным является использование слоя напряженного материала, используемого для формирования наследующего ряда квантовых точек, толщиной от 1.6 до 3 монослоев. Меньшая толщина не превышает критическую для островкового роста, так что квантовые точки в наследующем слое образовываться не будут. При использовании толщины сверх 3 монослоев повышается вероятность формирования дислокаций. При этом длина волны оптической активности квантовых точек наследующего ряда составляет примерно от 1.05 до 1.2 мкм в зависимости от толщины напряженного материала, используемого для формирования наследующего ряда квантовых точек.

В случае использования покрывающей квантовой ямы с целью расширения спектрального диапазона оптической активности квантовых точек наследующего ряда в длинноволновую область предпочтительным является использование покрывающей квантовой ямы In_y(GaAl)_1-yAs толщиной от 4 до 10 нм, причем мольная доля (у) InAs составляет от 0.1 до 0.3. Использование покрывающей квантовой ямы позволяет управлять длиной волны излучения квантовых точек за счет изменения толщины и химического состава покрывающей квантовой ямы и, в частности, позволяет расширить область оптической активности квантовых точек в диапазоне длины волн 1.2-1.35 мкм.

Пример 1.

Методом молекулярно-пучковой эпитаксии была синтезирована полупроводниковая структура, содержащая массив квантовых точек. Квантовые точки формировались известным способом по механизму Странского-Крастанова за счет осаждения на поверхность GaAs напряженного материала InAs, эффективная толщина которого превышает критическую толщину островкового роста. Было осаждено 2.3 монослоя InAs, при этом переход к островковому росту согласно данным дифракции быстрых электронов на отражение произошел после осаждения 1.65 монослоев InAs. Скорость осаждения InAs составляла около 0.1 монослоя в секунду, температура подложки в процессе осаждения согласно показаниям инфракрасного пирометра составляла 485°C. После завершения осаждения InAs массив сформированных квантовых точек был покрыт слоем GaAs, осажденным при температуре 485°C.

Структурные свойства сформированного массива квантовых точек были исследованы с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Изображение массива (вид в плане) приведено на фиг.5а. Поверхностная плотность массива квантовых точек составила 3.2*10¹⁰ см^-2 согласно данным ПЭМ. Оптические свойства были исследованы с помощью фотолюминесценции (ФЛ) при комнатной температуре. Длина волны максимума ФЛ составила 1.17 мкм, фиг.5б. Таким образом, массив квантовых точек, сформированный по механизму Странского-Крастанова, проявляет оптическую активность в длинноволновом спектральном диапазоне, но обладает низкой поверхностной плотностью квантовых точек.

Пример 2.

Методом молекулярно-пучковой эпитаксии была синтезирована полупроводниковая структура, содержащая массив квантовых точек, сформированный с помощью способа-прототипа, получившего название «сидинг». Сначала на поверхности GaAs был сформирован зародышевый ряд квантовых точек с помощью осаждения напряженного материала In_0.5Al_0.5As, толщина которого превосходила критическую толщину островкового роста. Было осаждено 5 монослоев In_0.5Al_0.5As, при этом переход к островковому росту согласно данным дифракции быстрых электронов на отражение произошел после осаждения 4 монослоев In_0.5Al_0.5As. Скорость осаждения In_0.5Al_0.5As составляла около 0.2 монослоя в секунду, температура подложки в процессе осаждения согласно показаниям инфракрасного пирометра составляла 465°C. Затем поверх квантовых точек зародышевого слоя был осажден промежуточный слой ненапряженного материала GaAs толщиной 3 нм. Затем был сформирован наследующий ряд квантовых точек с помощью осаждения слоя напряженного материала InAs с эффективной толщиной 2.1 монослоя, что превосходит критическую толщину островкового роста. Скорость осаждения InAs составляла около 0.1 монослоя в секунду, температура подложки в процессе осаждения согласно показаниям инфракрасного пирометра составляла 465°C. После завершения осаждения InAs массив сформированных квантовых точек был покрыт слоем GaAs, осажденным при такой же температуре.

Структурные свойства сформированного массива квантовых точек были исследованы с помощью ПЭМ. Изображение массива (вид в плане) приведено на фиг.6а. Поверхностная плотность массива квантовых точек согласно данным ПЭМ составила 1.3*10¹¹ см^-2. Длина волны максимума ФЛ составила 1.1 мкм, фиг.6б. Таким образом, массив квантовых точек, сформированный с помощью способа-прототипа с использованием «сидинга», позволяет повысить поверхностную плотность квантовых точек приблизительно в 4 раза при сохранении оптической активности в длинноволновом спектральном диапазоне.

Пример 3.

Методом молекулярно-пучковой эпитаксии была синтезирована полупроводниковая структура, содержащая массив квантовых точек, сформированный с помощью заявляемого метода. Сначала на поверхности GaAs был сформирован зародышевый ряд квантовых точек с помощью субмонослойного осаждения: последовательного осаждения 10 пар слоев, каждая из которых включала субмонослойный слой напряженного материала InAs, эффективная толщина которого составила 0.4 монослоя, и разделительный слой ненапряженного материала GaAs, эффективная толщина которого составила 2.6 монослоя. Скорость осаждения InAs составила около 0.1 монослоя в секунду, скорость осаждения GaAs составила около 0.7 монослоев в секунду, температура подложки в процессе осаждения согласно показаниям инфракрасного пирометра составляла 510°C. Затем был осажден слой ненапряженного материала GaAs толщиной 2.5 нанометра при той же температуре подложки. Затем был сформирован наследующий ряд квантовых точек с помощью осаждения слоя напряженного материала InAs, толщина которого превосходит критическую толщину островкового роста. Эффективная толщина осажденного InAs составила 2.4 монослоя, при этом согласно данным дифракции быстрых электронов на отражение критическая толщина островкового роста составила около 1.6 монослоев. Температура подложки в процессе формирования наследующего ряда квантовых точек составила 490°C. После завершения осаждения InAs массив сформированных квантовых точек был покрыт слоем GaAs, осажденным при той же температуре.

Структурные свойства сформированного массива квантовых точек были исследованы с помощью ПЭМ. Изображение массива (вид в плане) приведено на фиг.7а. Поверхностная плотность массива квантовых точек согласно данным ПЭМ составила 6*10¹¹ см^-2. Длина волны максимума ФЛ составила 1.16 мкм, фиг.7б. Таким образом, массив квантовых точек, сформированный с помощью заявляемого способа, позволяет повысить поверхностную плотность квантовых точек более чем в 10 раз по сравнению с квантовыми точками, формируемыми по механизму Странского-Крастанова на поверхности (Al)GaAs, при сохранении оптической активности в длинноволновом спектральном диапазоне.

Пример 4.

Методом молекулярно-пучковой эпитаксии была синтезирована полупроводниковая структура, содержащая массив квантовых точек, сформированный с помощью способа «субмонослойного осаждения». На поверхности GaAs был сформирован ряд квантовых точек с помощью субмонослойного осаждения: последовательного осаждения 10 пар слоев, каждая из которых включала субмонослойный слой напряженного материала InAs, эффективная толщина которого составила 0.4 монослоя, и разделительный слой ненапряженного материала GaAs, эффективная толщина которого составила 2.6 монослоя. Скорость осаждения InAs составила около 0.1 монослоя в секунду, скорость осаждения GaAs составила около 0.7 монослоев в секунду, температура подложки в процессе осаждения согласно показаниям инфракрасного пирометра составляла 510°C. Таким образом, использованные режимы эпитаксиального роста, толщины и последовательности слоев соответствуют формированию зародышевого слоя квантовых точек, описанному в Примере 3.

После завершения осаждения массив сформированных квантовых точек был покрыт слоем GaAs при 510°C.

Структурные свойства сформированного массива квантовых точек были исследованы с помощью ПЭМ. Поверхностная плотность массива квантовых точек согласно данным ПЭМ составила 5.6*10¹¹ см^-2. Длина волны максимума ФЛ составила 0.94 мкм. Таким образом, массив квантовых точек, сформированный с помощью способа-прототипа, известного как субмонослойное осаждение, позволяет повысить поверхностную плотность квантовых точек более чем в 10 раз по сравнению с квантовыми точками, формируемыми по механизму Странского-Крастанова на поверхности (Al)GaAs, однако при этом квантовые точек обладают оптической активностью в более коротковолновом спектральном диапазоне.

Пример 5.

Методом молекулярно-пучковой эпитаксии была синтезирована полупроводниковая структура, содержащая массив квантовых точек, сформированный с помощью заявляемого метода. Использованные режимы эпитаксиального роста, толщины и последовательности слоев соответствовали использованным для формирования квантовых точек, описанных в Примере 3, за исключением того, что в качестве ненапряженного материала вместо GaAs был использован Al_0.35Ga_0.65As. Поверхностная плотность сформированного массива квантовых точек согласно данным ПЭМ была аналогична полученной в Примере 3 и составила 5.8*10¹¹ см^-2. При этом структура проявляла оптическую активность на длине волны около 1.05 мкм.

Пример 6.

Методом молекулярно-пучковой эпитаксии была синтезирована полупроводниковая структура, содержащая массив квантовых точек, сформированный с помощью заявляемого метода. Использованные режимы эпитаксиального роста, толщины и последовательности слоев соответствовали использованным для формирования квантовых точек, описанных в Примере 3. Дополнительно квантовые точки наследующего ряда были покрыты напряженной квантовой ямой In_0.2(Ga_0.8Al_0.2)_0.8As толщиной от 5 нм. Поверхностная плотность сформированного массива квантовых точек согласно данным ПЭМ была аналогична полученной в Примере 3 и составила 5.6*10¹¹ см^-2. При этом структура проявляла оптическую активность в еще более длинноволновом спектральном диапазоне - согласно данным ФЛ длина волны составила 1.35 мкм.

Таким образом, на вышеприведенных примерах конкретных вариантов реализации заявленного способа показаны его преимущества, заключающиеся в возможности увеличения поверхностной плотности квантовых точек на один ряд до (5-6)*10¹¹ см^-2 в сочетании с диапазоном длин волн оптической активности, лежащим в пределах от приблизительно 1.05 до 1.35 мкм.

Способ формирования массивов квантовых точек повышенной плотности для использования в различных оптоэлектронных устройствах. Способ формирования массива квантовых точек высокой плотности включает три этапа. На первом происходит формирование зародышевого ряда квантовых точек в режиме субмонослойного осаждения, т.е. последовательного осаждения нескольких слоев напряженного материала, толщина каждого из которых не превышает один монослой, разделенных слоями ненапряженного материала толщиной несколько монослоев. Квантовые точки зародышевого ряда обладают высокой плотностью и большой шириной запрещенной зоны. На втором этапе происходит осаждение промежуточного слоя ненапряженного материала. Его толщина выбирается достаточно малой, так что поля напряжения, образующиеся от квантовых точек зародышевого ряда, могут оказывать влияние на миграцию атомов на его поверхности. На третьем этапе происходит формирование наследующего ряда квантовых точек с помощью осаждения по крайней мере одного слоя напряженного материала, толщина которого превосходит критическую толщину островкового роста. Поверхностная плотность квантовых точек наследующего ряда задается поверхностной плотностью квантовых точек зародышевого ряда и потому велика. При этом ширина запрещенной зоны квантовых точек наследующего ряда имеет значение, типичное для квантовых точек, формируемых традиционными способами. Для управления шириной запрещенной зоны квантовые точки наследующего ряда могут быть покрыты напряженной квантовой ямой. Предпочтительными материалами является InAs в качестве напряженного материала, In_y(GaAl)_1-yAs в качестве напряженной квантовой ямы (y составляет от 0.1 до 0.3.), GaAs либо Al_xGa_1-xAs (x не превосходит 0.4) в качестве ненапряженного материала. Преимущество Al_xGa_1-xAs в качестве ненапряженного материала заключается в том, что при его использовании ширина запрещенной зоны квантовых точек зародышевого ряда дополнительно увеличивается, так что они не оказывают влияния на оптические характеристики образующегося массива. Технический результат: возможность формирования массивов квантовых точек с контролируемой длиной волны излучения в диапазоне от 1.05 до 1.35 мкм и поверхностной плотностью 5*10¹¹ см^-2 в расчете на один ряд. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ формирования массива квантовых точек повышенной плотности, включающий формирование зародышевого ряда квантовых точек с помощью последовательного осаждения нескольких пар слоев, каждая из которых включает субмонослойный слой напряженного материала, толщина которого не превышает один монослой, и разделительный слой ненапряженного материала, толщина которого составляет несколько монослоев, отличающийся тем, что осуществляют осаждение промежуточного слоя ненапряженного материала с толщиной, достаточно малой для проникновения сквозь него полей напряжения зародышевого ряда, после чего формируют наследующие ряды квантовых точек с помощью осаждения по крайней мере одного слоя напряженного материала, толщина которого превосходит критическую толщину островкового роста.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что квантовые точки наследующего ряда покрывают напряженной квантовой ямой.

3. Способ по любому из пп.1-2, отличающийся тем, что в качестве напряженного материала используют InAs, а в качестве ненапряженного материала используют GaAs.

4. Способ по любому из пп.1-2, отличающийся тем, что в качестве напряженного материала используют InAs, а в качестве ненапряженного материала используют Al_xGa_1-xAs, где x не превосходит 0.4.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что количество пар слоев, используемых для формирования зародышевого ряда квантовых точек, выбирают от 7 до 12, при этом толщина слоев, используемых для формирования зародышевого ряда квантовых точек, выбирают для субмонослойных напряженных слоев от 0.3 до 0.6 монослоев, а для разделительных ненапряженных слоев от 2 до 3 монослоев, причем толщину промежуточного слоя ненапряженного материала выбирают от 1 до 4 нанометров, а толщину слоя напряженного материала, используемого для формирования наследующего ряда квантовых точек, выбирают от 1.6 до 3 монослоев.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что количество пар слоев, используемых для формирования зародышевого ряда квантовых точек, выбирают от 7 до 12, при этом толщина слоев, используемых для формирования зародышевого ряда квантовых точек, выбирают для субмонослойных напряженных слоев от 0.3 до 0.6 монослоев, а для разделительных ненапряженных слоев от 2 до 3 монослоев, причем толщину промежуточного слоя ненапряженного материала выбирают от 1 до 4 нанометров, а толщину слоя напряженного материала, используемого для формирования наследующего ряда квантовых точек, выбирают от 1.6 до 3 монослоев.

7. Способ по любому из пп.5-6, отличающийся тем, что квантовые точки наследующего ряда покрывают напряженной квантовой ямой In_y(GaAl)_1-yAs толщиной от 4 до 10 нм, где у составляет от 0.1 до 0.3.