Способ формирования низкоплотных массивов квантовых точек Российский патент 2025 года по МПК B82B1/00 

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 «Regimes of GaAs quantum dot self-assembly by droplet epitaxy» [Ch. Heyn, A. Stemmann, A. Schramm, H. Welsch, W. Hansen, and Á. Nemcsics. Regimes of GaAs quantum dot self-assembly by droplet epitaxy // Physical Review B, 2007, V. 76, 075317], содержащий этапы формирования низкоплотного массива квантовых точек на поверхности полупроводниковой подложки: формирование на поверхности полупроводниковой подложки буферного эпитаксиального слоя широкозонного полупроводника AlGaAs; формирование на эпитаксиальном слое широкозонного полупроводника AlGaAs низкоплотного массива металлических капель Ga методом капельной эпитаксии; кристаллизация металлических капель Ga в потоке молекулярного мышьяка и формирование массива квантовых точек узкозонного полупроводникового материала GaAs.

Данный способ позволяет получать низкоплотные массивы квантовых точек узкозонного полупроводникового материала в матрице широкозонного полупроводника на подложке GaAs.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: использование полупроводниковой подложки, формирование буферного слоя широкозонного полупроводника на подложке GaAs, формирование низкоплотного массива квантовых точек узкозонного полупроводникового материала на поверхности полупроводниковой подложки.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: взаимозависимость плотности квантовых точек и их размера, что делает невозможным изменение плотности квантовых точек при сохранении их приемлемых размеров; сложность и низкая воспроизводимость технологического процесса, обусловленные высокой чувствительностью системы к параметрам операционный среды и начальным условиям на поверхности подложки; в виду технологических особенностей формирования металлических капель неизбежно образуется смачивающий слой, и как следствие, это приводит к ухудшению оптического качества структуры.

Известен аналог заявляемого объекта «Fabrication of ultralow-density quantum dots by droplet etching epitaxy» [Jiang Wu, Zhiming M. Wang, Xinlei Li, Yuriy I. Mazur and Gregory J. Salamo. Fabrication of ultralow-density quantum dots by droplet etching epitaxy // Journal of Materials Research, 2017, V.32, pp. 4095-4101], содержащий этапы формирования низкоплотного массива квантовых точек на поверхности полупроводниковой подложки: формирование на поверхности полупроводниковой подложки буферного эпитаксиального слоя широкозонного полупроводника; формирование на поверхности полупроводниковой подложки низкоплотного массива металлических капель Ga методом капельной эпитаксии; формирование низкоплотного массива наноразмерных углублений на поверхности эпитаксиального слоя путем активации локального капельного травления материала эпитаксиального слоя; формирование низкоплотного массива квантовых точек узкозонного полупроводникового материала InAs на поверхности полупроводниковой подложки в наноразмерных углублениях путем осаждения материала квантовых точек InAs закритической толщины.

Данный способ позволяет получать низкоплотные массивы квантовых точек узкозонного полупроводникового материала в матрице широкозонного полупроводника на подложке GaAs.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: использование полупроводниковой подложки, формирование буферного слоя широкозонного полупроводника на подложке GaAs; формирование низкоплотных наноразмерных углублений; формирование низкоплотного массива квантовых точек узкозонного полупроводникового материала путем осаждения материала квантовой точки. Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: взаимозависимость плотности квантовых точек и их размера, что делает невозможным изменение плотности квантовых точек при сохранении приемлемых размеров; сложность и низкая воспроизводимость технологического процесса, обусловленные высокой чувствительностью системы к параметрам операционной среды и начальным условиям на поверхности подложки; технологические особенности локального капельного травления приводят к низкой воспроизводимости процесса при изменении параметров операционной среды; недостатки локального капельного травления также включают возможные вариации в геометрии и плотности квантовых точек, обусловленные изменениями условий травления, что снижает точность формирования низкоплотного массива квантовых точек.

Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является «Ultra-low density InAs quantum dots» [V.G. Dubrovskii, G.E. Cirlin, P.A. Brunkov, U. Perimetti and N. Akopyan. Ultra-low density InAs quantum dots // Semiconductors, 2013, V. 47, pp. 1324-1327], содержащий этапы формирования низкоплотного массива квантовых точек на поверхности полупроводниковой подложки: формирование на разориентированной поверхности полупроводниковой подложки буферного эпитаксиального слоя широкозонного полупроводника; формирование низкоплотного массива квантовых точек узкозонного полупроводникового материала InAs путем осаждения материала квантовых точек InAs докритической толщины на разориентированной поверхности буферного слоя широкозонного полупроводника GaAs.

Данный способ позволяет формировать низкоплотные массивы квантовых точек узкозонного полупроводникового материала в матрице широкозонного полупроводника на подложке GaAs.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: использование полупроводниковой подложки, формирование буферного слоя широкозонного полупроводника на подложке GaAs, формирование низкоплотных квантовых точек узкозонного полупроводникового материала InAs путем осаждения материала квантовых точек InAs докритической толщины.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: использование полупроводниковых подложек с разориентированными поверхностями, что увеличивает себестоимость и технологическую сложность процесса; анизотропия поверхностной диффузии адатомов In, обусловленная разориентацией поверхности полупроводниковой подложки, приводит к формированию квантовых точек InAs преимущественно на краях ступеней поверхности полупроводниковой подложки, что приводит к нежелательному распределению квантовых точек и, как следствие, к повышению локальной плотности квантовых точек и понижению их однородности; наличие смачивающего слоя приводит к нежелательным оптическим переходам и формированию каналов паразитного транспорта носителей заряда, что ухудшает функциональные характеристики квантовых точек.

Технический результат предлагаемого способа - формирование низкоплотного массива квантовых точек узкозонного полупроводникового материала InAs путем осаждения материала квантовых точек InAs докритической толщины на полупроводниковой подложке в наноразмерных углублениях, предварительно сформированных путем контролируемого термического разложения поверхности полупроводниковой подложке GaAs и последующего осаждения тонкого буферного слоя широкозонного полупроводника GaAs, обеспечивающего формирование на поверхности подложки массива низкоплотных углублений, выступающих на последующих этапах центрами локализации формирования квантовых точек. При этом квантовые точки формируются исключительно в созданных наноразмерных углублениях, что предотвращает образование смачивающего слоя и исключает формирование структур вне углублений, обеспечивая тем самым высокую селективность и низкую плотность массива квантовых точек.

Технический результат достигается за счет того, что для формирования низкоплотного массива квантовых точек узкозонного полупроводникового материала InAs сначала на поверхности полупроводниковой подложки формируются симметричные наноразмерные углубления в форме обратной пирамиды, полученные путем контролируемого термического разложения поверхности полупроводниковой подложки GaAs, что приводит к усилению эрозии поверхности и обеспечению относительно низкой поверхностной плотности формируемых наноразмерных углублений с высокой степенью симметрии, затем проводится осаждение тонкого буферного слоя широкозонного полупроводника GaAs, в результате чего плотность углублений на поверхности дополнительно понижается, полностью определяя в дальнейшем плотность формируемых в них квантовых точек; затем на поверхность осуществляется осаждение материала квантовых точек InAs докритической толщины, что приводит к образованию квантовых точек узкозонного полупроводникового материала InAs только в предварительно сформированных наноразмерных углублениях и исключает образование смачивающего слоя и формирование структур вне углублений, обеспечивая тем самым низкую плотность и высокую селективность формирования массива квантовых точек InAs на поверхности полупроводниковой подложки.

Для достижения необходимого технического результата предложен способ формирования массива низкоплотных квантовых точек узкозонного полупроводникового материала InAs на полупроводниковой подложке GaAs, состоящий из этапа формирования симметричных наноразмерных углублений путем контролируемого термического разложения поверхности полупроводниковой подложки GaAs, последующего осаждения тонкого буферного слоя широкозонного полупроводника GaAs и формирования низкоплотного массива квантовых точек InAs путем осаждения материала квантовых точек InAs докритической толщины.

На Фиг. 1 изображена схема этапов способа формирования низкоплотного массива квантовых точек узкозонного полупроводникового материала InAs на поверхности полупроводниковой подложки GaAs.

Изготовление низкоплотного массива квантовых точек узкозонного полупроводникового материала InAs на поверхности полупроводниковой подложки GaAs происходит следующим образом.

На полупроводниковой подложке GaAs 1 со слоем собственной оксидной пленки 2 (Фиг. 1, шаг 1) путем контролируемого термического разложения поверхности полупроводниковой подложки GaAs в присутствии молекулярного мышьяка As₄ формируются симметричные наноразмерные углубления формой обратной пирамиды 3 (Фиг. 1, шаг 2), размер и плотность которых определяется потоком молекулярного мышьяка As₄, толщиной исходной пленки собственного окисла и используемым температурным режимом. Затем проводится осаждение тонкого буферного слоя широкозонного полупроводника GaAs 4 (Фиг. 1, шаг 3), в результате чего плотность углублений, на поверхности дополнительно понижается вследствие преимущественного заращивания углублений малого размера и иных шероховатостей поверхности, которые также могут выступать в качестве центров формирования квантовых точек. Затем осуществляется формирование низкоплотного массива квантовых точек узкозонного полупроводникового материала InAs 5 путем осаждения материала квантовых точек InAs докритической толщины на полупроводниковой подложке в предварительно сформированных наноразмерных углублениях (Фиг.1, шаг 4).

Предлагаемый способ прошел экспериментальную апробацию авторами, поскольку в его основе лежат оригинальные результаты экспериментальных исследований. Нами было показано, что на полупроводниковой подложке GaAs после контролируемого термического разложения поверхности полупроводниковой подложки GaAs с пленкой собственного окисла толщиной 1 нм (согласно литературным данным) в потоке молекулярного мышьяка (парциальное давление которого поддерживалось на уровне 10^-5 Па) формируются симметричные наноразмерные углубления в форме обратной пирамиды.

Процесс разложения проводился путем медленного нагрева подложки до температуры 610°C, при этом весь процесс от начала нагрева до полного удаления оксидной пленки занимал 1 час.

Для понижения плотности углублений проводилось осаждение тонкого буферного слоя широкозонного полупроводника GaAs (толщиной 0,6 нм). В результате были получены наноразмерные углублений в форме обратной пирамиды, плотность которых равна 7,64×10⁸ см^-2. Средние размеры углублений составили: 52,75 нм в диаметре и 3,50 нм в высоту.

Экспериментально показана возможность формирования квантовых точек узкозонного полупроводникового материала InAs путем осаждения материала квантовых точек InAs докритической толщины 1,5 монослоя (около 0,9 нм) (критическое значение толщины для формирования квантовых точек в системе InAs/GaAs составляет 1,7 монослоя (1,0-1,1 нм)) на полупроводниковой подложке в предварительно сформированных наноразмерных углублениях (Фиг. 2). Результаты исследований образцов методами фотолюминесценции с микроразрешением показали возможность формирования квантовых точек InAs, излучающих в диапазоне до 1150 нм (при 5К), и обладающих низкой плотностью, о чем свидетельствует игольчатый характер спектра и появление отдельных узких линий, характерных для отдельных квантовых точек, при переходе к высокоразрешающей спектроскопии (с объективом х100) и снижении интенсивности накачки. При этом во всех режимах в спектрах отсутствуют особенности, характерные для смачивающего слоя, что говорит об эффективном подавлении его формирования (Фиг. 3).

Таким образом, предлагаемый способ представляет собой способ, позволяющий формировать формирования массива низкоплотных квантовых точек узкозонного полупроводникового материала InAs на полупроводниковой подложке.

Таким образом, по сравнению с аналогичными способами, предлагаемый способ создания формирования массива низкоплотных квантовых точек узкозонного полупроводникового материала InAs на полупроводниковой подложке GaAs позволяет формировать низкоплотный массив симметричных наноразмерных углублений путем контролируемого термического разложения поверхности полупроводниковой подложки GaAs, осаждение тонкого буферного слоя широкозонного полупроводника GaAs и следующего за ним формирование квантовых точек InAs путем осаждения материала квантовых точек InAs докритической толщины.

Предлагаемый способ относится к области электроники и оптоэлектроники. Способ формирования низкоплотных массивов квантовых точек, заключающийся в том, что на поверхности полупроводниковой подложки GaAs формируют низкоплотный массив симметричных наноразмерных углублений в форме обратной пирамиды путем контролируемого термического разложения поверхности с последующим осаждением тонкого буферного слоя широкозонного полупроводника GaAs, затем на поверхность полупроводниковой подложки осаждают материал квантовых точек InAs докритической толщины, в результате чего происходит селективное формирование низкоплотных квантовых точек в полученных наноразмерных углублениях. Технический результат – обеспечивается низкая плотность и высокая селективность формирования массива квантовых точек InAs на поверхности полупроводниковой подложки. 3 ил.

Способ формирования низкоплотных массивов квантовых точек, заключающийся в том, что на поверхности полупроводниковой подложки GaAs формируют низкоплотный массив симметричных наноразмерных углублений в форме обратной пирамиды путем контролируемого термического разложения поверхности с последующим осаждением тонкого буферного слоя широкозонного полупроводника GaAs, затем на поверхность полупроводниковой подложки осаждают материал квантовых точек InAs докритической толщины, в результате чего происходит селективное формирование низкоплотных квантовых точек в полученных наноразмерных углублениях.