Способ независимого управления размерами полупроводниковых квантовых точек А3В5 Российский патент 2022 года по МПК B82B3/00 

Предлагаемый способ относится к области электроники и оптоэлектроники и может быть использован при создании структур активных элементов нано- и оптоэлектроники и интегральных схем на их основе.

Известен аналог заявляемого объекта «Controlling the size of InAs quantum dots on Si_1−xGe_x/Si(001) by metalorganic vapor-phase epitaxy» [K. Kawaguchi, H. Ebe, M. Ekawa, A. Sugama, Y. Arakawa. Controlling the size of InAs quantum dots on Si_1−xGe_x/Si(001) by metalorganic vapor-phase epitaxy // Materials Science and Engineering B, 2009, №165, pp. 103 –106], содержащий этапы формирования полупроводниковых квантовых точек A3B5 с управляемыми размерами на подложке: на первом этапе на полупроводниковой подложке формируется составной буферный слой Si/Si_1−xGe_x, на втором этапе проводится формирование массива полупроводниковых квантовых точек InAs заданного размера, который регулируется путем выбора скорости осаждения и соотношения потоков ростовых компонент.

Данный способ позволяет управлять размерами полупроводниковых квантовых точек A3B5.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: использование полупроводниковой подложки с буферным слоем, формирование квантовых точек из InAs, использование скорости осаждения для управления размерами полупроводниковых квантовых точек.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: узкий диапазон управления размерами и плотностью полупроводниковых квантовых точек, что обусловлено использованием для роста механизма Странского-Крастанова; невозможность независимого управления размерами и плотностью полупроводниковых квантовых точек, что обусловлено взаимосвязью основных управляющих параметров – скорости осаждения и соотношения потоков ростовых компонент.

Известен аналог заявляемого объекта «Effects of growth conditions on the size and density of self-assembled InAlAs/AlGaAs quantum dots grown on GaAs by molecular beam epitaxy» [X.M. Lu, Y.Izumi, M.Koyama, Y.Nakata, S.Adachi, S.Muto. Effects of growth conditions on the size and density of self-assembled InAlAs/AlGaAs quantum dots grown on GaAs by molecular beam epitaxy // Journal of Crystal Growth, 2011, №322, pp. 6–9], содержащий этапы формирования полупроводниковых квантовых точек A3B5 с управляемыми размерами на подложке: на первом этапе на полупроводниковой подложке выращивается составной буферный слой GaAs/AlGaAs; на втором этапе формируется массив полупроводниковых квантовых точек InAlAs заданного размера, который регулируется путем выбора скорости осаждения, температуры подложки и химического состава квантовых точек.

Данный способ позволяет управлять размерами полупроводниковых квантовых точек A3B5.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, является: использование полупроводниковой подложки из GaAs с буферным слоем, использование температуры и скорости осаждения для управления размерами полупроводниковых квантовых точек.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: узкий диапазон управления размерами и плотностью полупроводниковых квантовых точек, что обусловлено использованием для роста механизма Странского-Крастанова; невозможность независимого управления размерами и плотностью полупроводниковых квантовых точек, что обусловлено взаимосвязью основных управляющих параметров – температуры и скорости осаждения.

Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является «In situ CBrCl₃ etching to control size and density of InAs/GaAs quantum dots» [A. Koizumi, H. Imanishi, K. Uchida, S. Nozaki. In situ CBrCl₃ etching to control size and density of InAs/GaAs quantum dots // Journal of Crystal Growth, 2011, №315, pp. 106 – 109], содержащий этапы формирования полупроводниковых квантовых точек A3B5 с управляемыми размерами на подложке: на первом этапе на полупроводниковой подложке из GaAs формируется буферный слой GaAs, на втором этапе формируется массив полупроводниковых квантовых точек InAs, на третьем этапе проводится травление квантовых точек InAs в CBrCl₃, что позволяет изменять их размер и плотность.

Данный способ позволяет управлять размерами полупроводниковых квантовых точек A3B5.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, является: использование полупроводниковой подложки из GaAs с буферным слоем, формирование полупроводниковых квантовых точек из InAs, использование температуры для управления размерами полупроводниковых квантовых точек, наличие этапа изменения размеров полупроводниковых квантовых точек после завершениях их формирования.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: узкий диапазон управления размерами и плотностью полупроводниковых квантовых точек, что обусловлено использованием для роста механизма Странского-Крастанова; изменение плотности и размеров полупроводниковых квантовых точек путем их травления после завершения формирования приводит к ухудшению однородности их геометрических параметров и функциональных характеристик за счет деградации поверхности кристаллической структуры.

Технический результат предполагаемого способа – независимое управление размерами полупроводниковых квантовых точек A3B5 путем изменения фонового давления As в процессе формирования металлических нанокапель перед их кристаллизацией и трансформацией в полупроводниковые квантовые точки.

Технический результат достигается за счет того, что для управления размерами полупроводниковых квантовых точек используется метод капельной эпитаксии, в котором формирующиеся на первом этапе металлические капли In под воздействием фонового давления As изменяют свой размер независимо от их плотности, который зависит от величины фонового давления, определяя тем самым конечный размер полупроводниковых квантовых точек InAs после их кристаллизации.

Для достижения необходимого технического результата предложен способ независимого управления размером полупроводниковых квантовых точек A3B5, состоящий из этапов формирования буферного слоя, формирования методом капельной эпитаксии полупроводниковых квантовых точек InAs, независимое управление размерами которых осуществляется на этапе формирования нанокапель In путем выбора величины фонового давления As, при котором осуществляется формирование нанокапель In.

На Фиг. 1 изображена схема этапов формирования структуры с массивом полупроводниковых квантовых точек InAs с независимым управлением размерами.

Изготовление полупроводниковых квантовых точек A3B5 с независимым управлением размерами происходит следующим образом.

На исходной полупроводниковой подложке 1 (Фиг. 1, шаг 1) осаждается буферный слой 2 полупроводникового материала с целью пространственного разделения будущих структур и подложки и создания высококачественной ростовой поверхности (Фиг.1, шаг 2). Затем на подложку 1 поверх полупроводникового буферного слоя 2 осаждается металлическая компонента (In) материала квантовых точек 3 при фиксированных температуре роста, скорости и толщине осаждения. В зависимости от величины фонового давления As, при котором проводится осаждение металлической компоненты, образуются капли определенных размеров (Фиг 1, шаг 3 (А,B,C)), при этом увеличение фонового давления As приводит к уменьшению размеров нанокапель 3 при сохранении неизменной их плотности в массиве (Фиг 1, шаг 3(С)). На последнем этапе проводится экспозиция капель в потоке неметаллической компоненты (As), в ходе которой происходит кристаллизация металлических нанокапель 3 и их трансформация в полупроводниковые квантовые точки InAs 4, при этом размер и плотность получаемых полупроводниковых квантовых точек 4 задаются размерами и плотностью исходных нанокапель In 3 (Фиг.1, шаг 4 (A,B,C)), в свою очередь, плотность который определяется температурой формирования металлических кластеров, а размер – скоростью и толщиной осаждения, а также фоновым давлением среды (в данном случае – As).

Предлагаемый способ прошел экспериментальную апробацию авторами, поскольку в его основу легли результаты экспериментальных исследований. Нами было показано, что при осаждении 3 монослоя In (0,3 нм) при скорости 0,25 монослоя/с (0,075 нм/с) при температуре подложки 300°C увеличение фонового давления в диапазоне 1,0×10^-7 – 6,3×10^-7 Па приводит к 1,5-кратному уменьшению размеров нанокапель In – с 150 до 110 нм – при сохранении их плотности на уровне 1×10⁸ см². В то же время, при осаждении 1,5 монослоя In (0,15 нм) при тех же скорости (0,25 монослоя/с или 0,075 нм/с) и температуре осаждения (300°C) увеличение давления в диапазоне 8,7×10^-8 – 1,3×10^-7 Па приводит к более чем 2-кратному уменьшению размеров нанокапель In – с 80 до 30 нм – при сохранении их плотности на уровне 1×10⁸ см².

Таким образом, предлагаемый способ представляет собой способ, позволяющий осуществлять независимое управление размером полупроводниковых квантовых точек A3B5, получаемых методом капельной эпитаксии, в котором плотность квантовых точек и их предшественников – нанокапель – задаётся температурой подложки, а размер – количеством осажденного материала (толщиной), скоростью осаждения и фоновым давлением As, причем использование фонового давления как управляющего параметра позволяет получать размеры наноструктур, недостижимые без его использования.

Таким образом, по сравнению с аналогичными способами предлагаемый способ независимого управления размерами полупроводниковых квантовых точек A3B5 позволяет контролировать размер полупроводниковых квантовых точек на поверхности при помощи фонового давления As независимо от их плотности, температуры и скорости осаждения, а также химического состава материала ростовой поверхности и квантовой точки.

Предлагаемый способ относится к области электроники и оптоэлектроники и может быть использован при создании структур активных элементов нано- и оптоэлектроники и интегральных схем на их основе. Технический результат предлагаемого способа – независимое управление размерами полупроводниковых квантовых точек A3B5. Для управления размерами квантовых точек используется метод капельной эпитаксии, в котором формирующиеся на первом этапе металлические капли In под воздействием фонового давления As изменяют свой размер независимо от их плотности, который зависит от величины фонового давления, определяя тем самым конечный размер полупроводниковых квантовых точек InAs после их кристаллизации. 1 ил.

Способ независимого управления размерами полупроводниковых квантовых точек А3В5, включающий использование полупроводниковой подложки из GaAs, на которую осаждается буферный слой полупроводникового материала, на котором формируется массив наноструктур, размер которых изменяется после завершения их формирования, отличающийся тем, что на подложку поверх полупроводникового буферного слоя осаждается металлическая компонента (In) материала квантовых точек при фиксированных температуре роста, скорости и толщине осаждения, приводящая к формированию металлических нанокапель, размер которых зависит от величины фонового давления As, затем проводится экспозиция капель в потоке неметаллической компоненты (As), при этом происходит кристаллизация металлических нанокапель и их трансформация в полупроводниковые квантовые точки InAs, причем размер и плотность получаемых полупроводниковых квантовых точек зависит от размеров и плотности исходных нанокапель In.