Диссертация (1149651), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Спектры фотолюминесценции (в координатах интенсивность (усл.ед.)/длина волны (нм)) необлученного (пунктир) и облученного (сплошная линия) образцов (иллюстрацияиз [37]).порядка единиц мэВ. В связи с тем, что основной целью исследования являлосьизучение устойчивости полупроводниковых приборов к космической радиации,отжига структур для восстановления их качества в работе не проводилось.1.4Латеральное квантование квантовых ямПредельным случаем латеральной фрагментации структур с квантовыми ямами является достижение столь малых размеров фрагментов, что становятсязаметны эффекты квантования движения экситонов в одном или двух направлениях в плоскости квантовой ямы (т.е.
создание из квантовой ямы, соответственно, квантовых нитей или квантовых точек).Методы создания квантовых точек путем фрагментации квантовых ямотносят к нисходящим методам (”top-down nanofabrication”), противопоставляяих широко распространенному восходящему методу (”bottom-up”) — самоорганизации квантовых точек в ходе эпитаксиального роста, вызванной рассогласованием постоянных решеток подложки (например, GaAs) и смачивающего слоя29(например, InAs).Квантовые точки представляют большой интерес как среда, которая может быть использована для реализации квантовых вычислений, причем не только с помощью зарядовых возбуждений (электронов, трионов), но и с помощьюэлектрически-нейтральных экситонов.
В теоретической работе [39] предложенасхема чисто-оптической реализации двух-кубитового вентиля на основе ”полупроводниковой макромолекулы”, представляющей собой две близко расположенные квантовые точки. Различие размеров и/или состава двух квантовыхточек приводит к различию спектрального положения соответствующих экситонных резонансов, что позволяет осуществлять независимый когерентный оптический контроль населенностей уровней в этих точках. Две квантовые точки разделены барьером, достаточно большим, чтобы избежать туннелированияэлектронов и дырок между точками, но тем не менее, обеспечивающим Кулоновскую связь между состояними в точках.
Проведенные в работе теоретические выкладки предсказывают работоспособность предложенной схемы дляпараметров, соответствующих реальным гетероструктурам.Вслед за этой теоретической работой последовали сообщения об экспериментальной демонстрации одно-кубитовых вентилей [40, 41, 42] и двухкубитовых вентилей [43, 44] на одиночных квантовых точках.Очевидно, что при нанометровых масштабах квантовых точек, их независимая пространственная оптическая адресация невозможна, и единственнымспособом является их спектральная адресация. Однако, хаотическая природапроцесса самоорганизации квантовых точек приводит к существенному разбросу форм, размеров и состава точек, что приводит к неоднородному уширениюоптических свойств ансамбля квантовых точек.
В связи с этим, несмотря науспешную демонстрацию квантовых логических элементов на основе одиночных квантовых точек, масштабируемость этого подхода является концептуально невозможной. Преодолеть это ограничение можно при использовании нисходящего подхода для создания массивов квантовых точек — латеральной фрагментации квантовых ям.Одним из первых успешных шагов на пути к созданию однородных массивов квантовых точек из квантовых ям был сделан в работе [45].
В ней с помощью30жидкостного травления сквозь заданную с помощью низковольтной электронной литографии маску были созданы одиночные квантовые точки диаметром40 – 100 нм из квантовых ям In0.14 Ga0.86 As/GaAs толщиной 5 нм. Маска, полученная путем облучения 2.5 кэВ пучком электронов резиста PMMA, использовалась для термического напыления алюминия, а полученная алюминиеваямаска — для жидкостного травления образца. Точки были расположены с шагом 20 мкм, что позволяло детектировать сигнал фотолюминесценции от однойизолированной точки. Был обнаружен сдвиг спектральных положений основного и возбужденного уровней экситона в коротковолновую сторону в созданныхквантовых точках по сравнению с исходной квантовой ямой, увеличивающийсядо 2 мэВ по мере уменьшения диаметра точки, и соответствующий теоретическипредсказанному сдвигу, обусловленному латеральным квантованием.В следующей статье [46] той же группы описанный выше метод созданияодиночных квантовых точек был использован для создания массивов квантовых нитей и квантовых точек.
Минимальный диаметр созданных квантовыхточек составлял 27 нм, при этом сдвиг спектрального положения резонансовв коротковолновую сторону составлял 16 мэВ. По мере уменьшения диаметраточек увеличивалось спектральная ширина экситонной особенности в спектрефотолюминесценции. Для точек диаметром 27 нм спектральная ширина превышала спектральную ширину резонанса для квантовой ямы приблизительнов 3 раза, что по оценке, сделанной в работе, соответствует разбросу диаметровточек ±3 нм.В работе [47] благодаря усовершенствованию технологии электронной литографии удалось достичь практически полного отсутствия разброса размеровквантовых точек в массиве, что привело к отсутствию зависимости спектральной ширины линии фотолюминесценции от размера точки — вплоть до диаметра 50 нм спектральная ширина линии составляла порядка 1.5 мэВ.
Следуетотметить, что такая однородность размеров была достигнута, судя по всему,путем увеличения расстояния между точками в массиве. В этом случае падаетвлияние эффекта близости при изготовлении маски, однако падает и поверхностная плотность квантовых точек.Еще одним способом нисходящего создания массивов квантовых точек из31квантовых ям является литография с использованием наносфер. Существующая технология синтеза полистирольных наносфер позволяет создавать сферыдиаметром от 50 нм до единиц микронов с разбросом размеров < 5%. Принанесении на образец водной эмульсии наносфер с добавлением поверхностноактивных веществ (ПАВ) с помощью центрифугирования, подбором скоростивращения центрифуги, массовой доли сфер и ПАВ в растворе можно достичьформирования на поверхности образца монослоя плотно упакованных наносфер.
Далее, с помощью реактивного ионного травления в кислородной плазме,диаметр наносфер может быть изотропно уменьшен. Таким образом, на поверхности образца создается периодическая маска с периодом и диаметром элементов, задаваемыми независимо диаметром наносфер до и после кислородногоотжига.В работе [48] продемонстрированы массивы квантовых точек, созданные путем реактивного ионного травления ионным пучком квантовых ямInGaAs/GaAs сквозь маску из наносфер. Путем фрагментации получены квантовые точки (нанодиски) диаметром до 190 нм.
При этом, в сигнале фотолюминесценции наблюдался сдвиг спектрального положения экситонной линии вкоротковолновую сторону, соответствующий латеральному квантованию движения экситона в значительно меньшей области. Такое расхождение объясненоавторами как появление в результате реактивного ионного травления GaAs эффективного ”мертвого слоя” толщиной порядка 70 нм. Этот дефектный ”мертвый слой” ограничивает эффективный размер полученной квантовой точки, т.к.носители заряда оказываются связаны в неповрежденной области точки.В работе [49] той же группы был продемонстрирован метод улучшения качества созданных описанным выше методом квантовых точек путем повторногоэпитаксиального роста в установке МПЭ. Помещение массива квантовых точекв избыточный поток мышьяка при температуре 600 – 640◦ приводит к переносуматериала GaAs, и пассивации боковых граней нанодисков.
Такая обработкапозволяет повысить интенсивность фотолюминесценции от квантовых точек напорядок, что свидетельствует об уменьшении плотности дефектов, приводящихк безызлучательной рекомбинации экситонов.Появление в результате ионного травления ”мертвого слоя” является су-32щественным ограничением метода, предложенного в [48]. Более перспективнымв этом случае выглядит жидкостное травление, для которого в [45, 46, 47] продемонстрировано отсутствие ”мертвого слоя”. Но использовать жидкостное травление с масками из наносфер не представляется возможным, т.к. при помещении в травитель маска отслаивается от образца. В связи с этим встает вопросо переносе заданной массивом наносфер структуры в массив более стойких ктравлению объектов.
Одним из возможных вариантов является напыление металла сквозь промежутки между плотно упакованными наносферами. Но получаемые в этом случае объекты расположены с очень низкой плотностью, иимеют ромбовидную форму.Реализация двух-кубитового вентиля, описанная в [39], предполагает, чтодве квантовые точки различного размера и/или состава расположены поблизости друг от друга. С помощью нисходящего подхода такая конфигурация можетбыть реализована двумя способами: заданием маски с массивом из пар точекразного размера с помощью электронной литографии, либо ростом образца сдвумя близко расположенными квантовыми ямами разной толщины и/или состава.
В этом случае маска представляет собой массив объектов одинаковогоразмера, поэтому может быть создана, в том числе, и с помощью литографиис использованием наносфер.331.5Выводы и задачи работыВ настоящей главе были рассмотрен ряд работ, посвященных оптическим свойствам квантовых ям, а также сделан обзор некоторых методов модификацииквантовых ям после эпитаксиального роста с использованием пучков ионов.Практически все описанные методы модификации основаны на изменении морфологии квантовой ямы с помощью облучения образцов поверхностными дозами ионов > 1012 1/см2 и до порога травления ∼ 1016 1/см2 . Воздействиеоблучения ионами с дозой < 1012 1/см2 на квантовые ямы остается малоизученным.Во многом такой пробел обусловлен возможностями спектроскопии фотолюминесценции, позволяющей лишь качественно оценивать воздействие ионного облучения на структуру квантовой ямы по спектральному положению экситонного резонанса, и дефектность образца по интенсивности экситонной линии.Более тонкий анализ свойств квантовых ям по спектрам фотолюминесценцииявляется сложным даже в случае отсутствия ионного облучения.Для изучения воздействия столь малых доз облучения ионами более предпочтительным является спектроскопия отражения.
С ее помощью представляется возможным независимо определить такие параметры экситонного резонанса, как положение, радиационную ширину и нерадиационное уширение, а также выделять из последней компоненту, соответствующую экситон-фононномурассеянию. Следует отметить, что дефекты, приводящие к безызлучательнойрелаксации и тушению сигнала фотолюминесценции, проявляют себя в спектроскопии отражения как дополнительные компоненты в нерадиационном уширении. В связи с этим, как будет показано ниже, спектроскопия отражения позволяет получить надежные сведения о воздействии ионов на квантовые ямыдаже в том случае, когда сигнал фотолюминесценции полностью отсутствует.В настоящей работе будет изучено воздействие на квантовые ямы облучения ионами 30 кэВ Ga+ и 35 кэВ He+ .
Изучение воздействия ионов галлияпредставляет интерес в связи с распространенностью установок со сфокусированным ионным пучком Ga+ (focused ion beam, FIB) на основе жидкометаллических ионных источников (liquid metal ion source, LMIS). Интерес к ионам3435 кэВ He+ обусловлен появлением коммерчески доступного сканирующего ионного гелиевого микроскопа, позволяющего облучать образцы сфокусированнымпучком ионов гелия диаметром < 1 нм и сколь угодно малым током пучка всоответствии с заданным чертежом.
При понимании процессов, происходящихпри однородном облучения ионами квантовых ям, такой прибор может бытьиспользован для формирования сложных латеральных структур. В настоящейработе не ставится цели достичь масштабов латеральной модуляции квантовых ям, позволяющих наблюдать появление в них существенного латеральногоквантования (< 100 нм). Рассматриваемая в настоящей работе модуляция намасштабах порядка сотен нанометров является субволновой для ближней инфракрасной области, и может быть использована для создания дифракционныхоптических элементов.В связи с необходимостью изучения оптических свойств резонансных дифракционных решеток еще одной задачей, которую необходимо решить в настоящей работе, является развитие теории резонансной дифракции, предельнымслучаем который является описанное в литературе отражение от однороднойквантовой ямы.В рамках настоящей работы предполагается решить следующие задачи:1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
