DE10104561A1 - Quantum dot structure, component with optoelectronic interaction and method for producing a quantum dot structure - Google Patents
Quantum dot structure, component with optoelectronic interaction and method for producing a quantum dot structureInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Quantenpunkt-Struktur, ein Bauelement mit optoelektronischer Wechselwirkung und ein Verfahren zum Herstellen einer Quantenpunkt-Struktur.The invention relates to a quantum dot structure Component with optoelectronic interaction and a Method of making a quantum dot structure.
Quantenpunkte kommen an Grenzflächen zwischen zwei Materialien mit unterschiedlicher Gitterkonstante vor und werden beispielsweise in [1] beschrieben. Beim Abscheiden eines Materials mit einer ersten Gitterkonstante auf einer ebenen Grenzfläche eines Substrates mit einer zweiten Gitterkonstante (Heteroepitaxie) wird der abgeschiedenen Schicht zunächst eine Kristallstruktur aufgezwungen, die eng mit der Struktur des Substrates zusammenhängt. Dadurch entsteht eine elastische Verspannung zwischen dem Substrat und der abgeschiedenen Schicht, die auf verschiedene Weisen relaxieren kann. In einer dünnen zweidimensionalen Schicht (Quantenfilm) passt sich die erste Gitterkonstante des abgeschiedenen Materials in der Grenzflächenebene an die zweite Gitterkonstante des Substrates an und in dem Quantenfilm entsteht eine tetragonale Verzerrung. Überschreitet die Schichtdicke einen bestimmten kritischen Wert, so wird die akkumulierte elastische Verspannungsenergie durch Versetzungen abgebaut (plastische Relaxation).Quantum dots come at interfaces between two Materials with different lattice constants before and are described for example in [1]. When separating of a material with a first lattice constant on one flat interface of a substrate with a second The lattice constant (heteroepitaxy) becomes the deposited one Layer first imposed a crystal structure that narrow is related to the structure of the substrate. Thereby there is an elastic tension between the substrate and the deposited layer, in different ways can relax. In a thin two-dimensional layer (Quantum film) adjusts the first lattice constant of the deposited material in the interface plane to the second lattice constant of the substrate on and in the Quantum film creates a tetragonal distortion. If the layer thickness exceeds a certain critical Value, so is the accumulated elastic tension energy degraded by dislocations (plastic relaxation).
Als Alternative zu den Versetzungen können sich zur Relaxation der elastischen Energie auch dreidimensionale Inseln (Quantenpunkte) bilden. In den Quantenpunkten findet eine elastische Relaxation der Schicht auch parallel zur Grenzfläche statt. Beispielsweise enthält eine Pyramide mit einem Facettenwinkel von 45° eine etwa 60% geringere Volumen-Verspannungsenergie als eine zweidimensionale Schicht gleichen Volumens. Folglich streben dünne zweidimensionale Schichten, also Quantenfilme, eine Quantenpunkt-Anordnung an, um mit den energetischen Zuständen der Materialbestandteile ein Energieminimum zu erreichen.As an alternative to the transfers, the Relaxation of elastic energy also three-dimensional Form islands (quantum dots). Find in the quantum dots an elastic relaxation of the layer parallel to the Interface instead. For example, includes a pyramid a facet angle of 45 ° is about 60% smaller Volume stress energy as a two-dimensional layer equal volume. Consequently, thin two-dimensional strive Layers, i.e. quantum films, a quantum dot arrangement, to deal with the energetic states of the material components to reach an energy minimum.
Quantenpunkte werden gemäß dem Stand der Technik vorwiegend mit dem Prinzip der Selbstanordnung nach Stranski-Krastanov hergestellt. Beim Stranski-Krastanov-Verfahren wird standardmäßig zunächst eine zweidimensionale Benetzungsschicht bestehend aus einem ersten Halbleitermaterial auf einem Substrat aus einem zweiten Halbleitermaterial aufgewachsen. Darauf entsteht bei weiterer Abscheidung von erstem Halbleitermaterial ein selbstgeordnetes Feld defektfreier Inseln etwa gleicher Größe und Form. Als Wachstumsmethoden eignen sich hierzu sowohl Molekularstrahlepitaxie (MBE) im Ultrahochvakuum als auch Metallorganische Gasphasenepitaxie (MOCVD, typisch bei einem Druck von etwa 103-105 Pa).According to the state of the art, quantum dots are mainly produced using the principle of self-assembly according to Stranski-Krastanov. In the Stranski-Krastanov method, a two-dimensional wetting layer consisting of a first semiconductor material is first grown on a substrate made of a second semiconductor material. Upon further deposition of the first semiconductor material, a self-ordered field of defect-free islands of approximately the same size and shape is formed. Suitable growth methods for this purpose are both molecular beam epitaxy (MBE) in an ultra-high vacuum and organometallic gas phase epitaxy (MOCVD, typically at a pressure of approximately 10 3 -10 5 Pa).
Quantenpunkte etwa gleicher Größe und Form entstehen unabhängig von der abgeschiedenen Materialmenge, wenn dem abgeschiedenen Material nur genügend Zeit gegeben wird, sich in ein Feld von Inseln zu transformieren. Die Materialmenge bestimmt dabei lediglich die Flächendichte der Quantenpunkte. Daher hängt die Energie der Photonen, die in einem solchen Quantenpunkt bei der Rekombination von Elektronen mit Löchern frei werden, nicht mehr von der abgeschiedenen Materialmenge ab. In einem Quantenfilm hingegen nimmt die Photonenenergie ab in dem Maße, in dem die abgeschiedene Materialmenge zunimmt. Sowohl mittels Molekularstrahlepitaxie als auch mittels Metallorganischer Gasphasenepitaxie hergestellte Quantenpunkte zeigen eine quadratische Basis mit Kanten entlang der kristallographischen <100<-, <010<- oder <001<- Richtung des Substrates.Quantum dots of approximately the same size and shape emerge regardless of the amount of material deposited, if the deposited material is given enough time to itself to transform into a field of islands. The amount of material only determines the areal density of the quantum dots. Therefore, the energy of the photons depends on such Quantum dot in the recombination of electrons with holes become free, no longer from the separated material quantity from. In contrast, in a quantum film the photon energy increases to the extent that the amount of material deposited increases. Both by means of molecular beam epitaxy as well produced by means of organometallic gas phase epitaxy Quantum dots show a square base with edges along the crystallographic <100 <-, <010 <- or <001 <- Direction of the substrate.
Unter den üblichen Bedingungen können mittels Molekularstrahlepitaxie und Metallorganischer Gasphasenepitaxie Felder und Stapel von kleinen Quantenpunkten (≈ 10 nm) mit hoher Flächendichte (< 1011 cm-2) und guter optischer Qualität hergestellt werden. Solche Quantenpunkt-Ansammlungen werden zur Herstellung von Vorrichtungen wie beispielsweise Halbleiterlaserdioden benötigt.Under the usual conditions, fields and stacks of small quantum dots (≈ 10 nm) with high areal density (<10 11 cm -2 ) and good optical quality can be produced using molecular beam epitaxy and metal organic gas phase epitaxy. Such quantum dot accumulations are required for the manufacture of devices such as semiconductor laser diodes.
Gemäß dem Stand der Technik können Quantenpunkt-Ansammlungen oder Quantenpunkt-Strukturen nur mit einer relativ unregelmäßigen Verteilung sowohl in Bezug auf die Abstände zwischen den Quantenpunkten als auch auf die Größe der Quantenpunkte hergestellt werden. Für ein optoelektronisches Bauelement wie einer Laserdiode ist eine Quantenpunkt- Struktur mit möglichst gleichen und relativ geringen Abständen zwischen den Quantenpunkten sowie mit gleichen Quantenpunkt-Größen vorteilhaft, da dadurch eine kleine Laserschwelle sowie eine geringe Linienbreite verursacht wird.According to the prior art, quantum dot accumulations or quantum dot structures with only one relative irregular distribution both in terms of distances between the quantum dots as well as the size of the Quantum dots are made. For an optoelectronic Component like a laser diode is a quantum dot Structure with the same and relatively small Distances between the quantum dots and with the same Quantum dot sizes are advantageous because they make them small Laser threshold and a small line width caused becomes.
Die Herstellung einer regelmäßigen Anordnung von Quantenpunkten mittels Ätzen von epitaktisch gewachsenen Quantentopfstrukturen hat den Nachteil, dass die sich ergebenden Quantenpunkte keine ausreichende optische Qualität für die industrielle Anwendung aufweisen. Dies ist vor allem darin begründet, dass die epitaktisch gewachsenen Quantentopfstrukturen kristalline oder elektrische Fehlstellen bzw. Versetzungen aufweisen, an denen zu verstärkende Photonen eingefangen werden und dort nichtstrahlend rekombinieren. Bei einer Rekombination wird die Energie jedoch nicht in Form von Licht sondern in Form von Wärme umgesetzt. Die entstehende Wärme reduziert jedoch den Wirkungsgrad und insbesondere die Lebensdauer der Quantentopfstruktur.The making of a regular arrangement of Quantum dots by etching epitaxially grown ones The disadvantage of quantum well structures is that the resulting quantum dots do not have sufficient optical quality for industrial use. Most of all, this is justified that the epitaxially grown Quantum well structures crystalline or electrical Have defects or dislocations at which to amplifying photons are captured and there recombine non-radiating. With a recombination the energy, however, not in the form of light but in the form implemented by heat. However, the heat generated is reduced the efficiency and especially the lifespan of the Quantum well structure.
In [2] wird die Herstellung von Gold- und Kobalt-Partikeln im Nanometerregime mittels Nanometer-Lithographie beschrieben. Während des beschriebenen Herstellungsprozesses wird durch Strukturierung einer Oberfläche die Bildung von Gold- und Kobalt-Partikeln an festgelegten Orten bevorzugt. Jedoch wird durch die beschriebene Strukturierungsart sowie die verwendeten Materialien die Ausbildung von ungleichmäßigen Partikeln sowie von Partikelketten und ringförmigen Partikelstrukturen bevorzugt.In [2] the production of gold and cobalt particles in Nanometer regime described using nanometer lithography. During the manufacturing process described by Structuring a surface the formation of gold and Cobalt particles preferred at fixed locations. However by the type of structuring described and the materials used the formation of uneven Particles as well as particle chains and ring-shaped Particle structures preferred.
Der Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, eine Quantenpunkt-Struktur, einen Halbleiterlaser sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Quantenpunkt-Struktur anzugeben, bei der/dem die Quantenpunkte jeweils gleiche Größe sowie gleiche Abstände zueinander aufweisen.The invention is therefore based on the problem of a Quantum dot structure, a semiconductor laser as well as a Process for the production of a quantum dot structure to indicate, where the quantum dots are the same Have size as well as equal distances from each other.
Das Problem wird durch eine Quantenpunkt-Struktur, einen Halbleiterlaser sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer Quantenpunkt-Struktur mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.The problem is compounded by a quantum dot structure Semiconductor laser and a method for manufacturing a quantum dot structure with the features according to independent claims solved.
Eine Quantenpunkt-Struktur weist auf eine erste Schicht aus einem ersten Material mit einer ersten Gitterkonstante, wobei die erste Schicht eine strukturierte Oberfläche aufweist, und eine über dieser strukturierten Oberfläche der ersten Schicht aufgewachsene zweite Schicht aus einem zweiten Material mit einer zweiten Gitterkonstante, die ungleich der ersten Gitterkonstante ist, wobei das erste Material, die strukturierte Oberfläche und das zweite Material derart eingerichtet sind, dass sich in der zweiten Schicht Quantenpunkte gleicher Größe und mit gleichem Abstand zueinander ausbilden.A quantum dot structure indicates a first layer a first material with a first lattice constant, wherein the first layer has a structured surface, and one over this structured surface of the first layer grown second layer with a second material a second lattice constant that is not the same as the first Is lattice constant, the first material being the structured surface and the second material like this are set up in the second shift Quantum dots of the same size and at the same distance train each other.
Die erfindungsgemäße Quantenpunkt-Struktur kann außerdem zur Verwendung in einem Bauelement mit optoelektronischer Wechselwirkung vorgesehen sein. Vorzugsweise handelt es sich bei einem Bauelement mit optoelektronischer Wechselwirkung um einen Halbleiterlaser, einen optoelektronischen Verstärker oder einen optoelektronischen Modulator. The quantum dot structure according to the invention can also be used Use in a component with optoelectronic Interaction should be provided. It is preferably in the case of a component with optoelectronic interaction a semiconductor laser, an optoelectronic amplifier or an optoelectronic modulator.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Quantenpunkt-Struktur weist folgende Schritte auf: Bereitstellen einer ersten Schicht aus einem ersten Material mit einer ersten Gitterkonstante und mit einer Oberfläche; Strukturieren der Oberfläche der ersten Schicht; und Aufwachsen einer zweiten Schicht aus einem zweiten Material mit einer zweiten Gitterkonstante, die ungleich der ersten Gitterkonstante ist, über dieser strukturierten Oberfläche, wobei das erste Material, die strukturierte Oberfläche und das zweite Material derart eingerichtet sind, dass sich in der zweiten Schicht Quantenpunkte gleicher Größe und mit gleichem Abstand zueinander ausbilden.A method of making a quantum dot structure has the following steps: Deploy a first Layer of a first material with a first Lattice constant and with a surface; Structure the Surface of the first layer; and growing up a second Layer of a second material with a second Lattice constant that is not equal to the first lattice constant, above this textured surface, the first Material, the textured surface and the second Material are set up in such a way that in the second Layer of quantum dots of the same size and with the same distance train each other.
Ein Vorteil der Erfindung kann darin gesehen werden, dass das Problem der Regelmäßigkeit der Quantenpunkte berücksichtigt wird indem mit Hilfe einer Strukturierung der Oberfläche der ersten Schicht, auf der die zweite Schicht aufgewachsen wurde, Einfluss auf den Ort der Ausbildung von Quantenpunkten sowie deren Größe genommen werden kann.An advantage of the invention can be seen in the fact that Problem of the regularity of the quantum dots taken into account is made by structuring the surface of the first layer on which the second layer grew was influencing the location of the formation of quantum dots as well as their size can be taken.
Auf die strukturierte Oberfläche der ersten Schicht werden die Quantenpunkte mit bekannten selbstanordnenden Verfahren aufgewachsen. Die Strukturierung der Oberfläche der ersten Schicht bewirkt eine Beeinflussung des Oberflächenpotentials, welches direkten Einfluss auf den Ort der Ausbildung der Quantenpunkte sowie deren Größe ausübt. Somit steuert die Strukturierung der Oberfläche der ersten Schicht die Regelmäßigkeit der Anordnung der Quantenpunkte. Als Möglichkeiten für die Anordnung der Quantenpunkte bieten sich beispielsweise an: hexagonal, rechtwinklig und trapezoidal.Be on the structured surface of the first layer the quantum dots with known self-assembling methods grew up. The structuring of the surface of the first Layer affects the surface potential, what direct influence on the place of training the Quantum dots and their size. Thus the Structuring the surface of the first layer Regularity of the arrangement of the quantum dots. As There are possibilities for the arrangement of the quantum dots for example: hexagonal, rectangular and trapezoidal.
Die strukturierte Oberfläche der ersten Schicht kann Strukturen in der Größenordnung von 2 nm bis 500 nm aufweisen. Durch die gewählte Strukturierung wird die Dichte der Quantenpunkte innerhalb der zweiten Schicht gesteuert. Damit bietet die Strukturierung der Oberfläche der ersten Schicht außerdem eine Steuerungsmöglichkeit für die Kopplung der Quantenpunkte untereinander.The structured surface of the first layer can Structures on the order of 2 nm to 500 nm exhibit. The selected structuring is the density the quantum dots are controlled within the second layer. Thus the structuring of the surface offers the first Layer also a control option for the coupling of the quantum dots among themselves.
Die Strukturierung der Oberfläche der ersten Schicht kann durch verschiedene technische Maßnahmen erfolgen. Diese technischen Maßnahmen können beispielsweise sein: Implantation, Epitaxie (z. B. mittels Elektronenstrahlen, Ionenstrahlen oder Molekularstrahlen), dielektrische Beschichtung, Aufdampfung, Sputtern, sowie Nachbehandlung der sich ergebendenden ersten Schicht. Somit ist es möglich, für die Epitaxie der Quantenpunkte ein regelmäßiges Profil, z. B. durch verspannte Epitaxieschichten, bereitzustellen.The structuring of the surface of the first layer can through various technical measures. This Technical measures can be, for example: Implantation, epitaxy (e.g. using electron beams, Ion beams or molecular beams), dielectric Coating, vapor deposition, sputtering, and aftertreatment of the resulting first layer. So it is possible for the epitaxy of the quantum dots has a regular profile, e.g. B. through strained epitaxial layers.
Die Regelmäßigkeit der Quantenpunkt-Struktur kann auch an Strukturen wie z. B. photonische Kristalle oder an die optischen Randbedingungen von Wellenleitern, Filtern oder anderen optischen Strukturen angepasst werden, in denen die Quantenpunkt-Struktur als elektrooptisches Material eingesetzt wird. Es ist beispielsweise vorstellbar, dass eine photonische Zelle nur einen oder zwei Quantenpunkte enthält.The regularity of the quantum dot structure can also increase Structures such as B. photonic crystals or to the optical boundary conditions of waveguides, filters or other optical structures in which the Quantum dot structure as an electro-optical material is used. For example, it is conceivable that a photonic cell contains only one or two quantum dots.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Quantenpunkt- Struktur ist die Bereitstellung einer geringen Laserschwelle mit einem Verstärkungskoeffizienten von größer gleich 10 cm-1, wenn die Quantenpunkt-Struktur als lichtverstärkenden Vorrichtung, beispielsweise in einem Halbleiterlaser, eingesetzt wird.Another advantage of the quantum dot structure according to the invention is the provision of a low laser threshold with an amplification coefficient of greater than or equal to 10 cm −1 if the quantum dot structure is used as a light-amplifying device, for example in a semiconductor laser.
Schließlich ergibt sich noch als weiterer Vorteil, dass die erfindungsgemäße Quantenpunkt-Struktur durch die homogene Größe der Quantenpunkte verstärktes Licht mit einer geringen Linienbreite von kleiner gleich 10 MHz bereitstellt, wenn die Quantenpunkt-Struktur als laseraktive Vorrichtung, beispielsweise in einem Halbleiterlaser, eingesetzt wird.Finally, there is another advantage that the quantum dot structure according to the invention by the homogeneous Size of the quantum dots amplified light with a small Provides line width of less than or equal to 10 MHz if the Quantum dot structure as a laser-active device, for example in a semiconductor laser.
Die erste Schicht kann beispielsweise aus einem III-V- Halbleiter, einem II-VI-Halbleiter oder einem IV-Halbleiter hergestellt sein. Als IV-Halbleitermaterial wird bevorzugt Silizium gewählt. Es kann als Material für die erste Schicht jedoch auch Glas, Saphir (Al2O3) oder ein anderes strukturierbares Material verwendet werden.The first layer can be made, for example, from a III-V semiconductor, a II-VI semiconductor or an IV semiconductor. Silicon is preferably chosen as the IV semiconductor material. However, glass, sapphire (Al 2 O 3 ) or another structurable material can also be used as the material for the first layer.
Vorzugsweise ist die strukturierte Oberfläche der ersten Schicht der erfindungsgemäßen Quantenpunkt-Struktur derart eingerichtet, dass die Strukturierung durch eine Ausdehnungsvariation der ersten Schicht in deren Normalenrichtung und durch eine regelmäßige Anordnung dieser Ausdehnungsvariation senkrecht zur Normalenrichtung verwirklicht ist, wodurch sich eine strukturierte Oberfläche mit Höhen und Senken ergibt.The structured surface is preferably the first Layer of the quantum dot structure according to the invention in this way set up that structuring through a Expansion variation of the first layer in its Normal direction and through a regular arrangement of these Expansion variation perpendicular to the normal direction is realized, resulting in a structured surface with ups and downs.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Quantenpunkt-Struktur werden die Quantenpunkte nur in den Senken der strukturierten Oberfläche ausgebildet, wodurch sich eine zweidimensionale Quantenpunkt-Struktur ergibt.In a preferred development of the invention Quantum dot structure, the quantum dots are only in the Lowering the structured surface is formed, which a two-dimensional quantum dot structure results.
Alternativ werden die Quantenpunkte auch in den Senken und auf den Höhen der strukturierten Oberfläche ausgebildet, wodurch sich eine dreidimensionale Quantenpunkt-Struktur ergibt.Alternatively, the quantum dots are also in the sinks and trained at the heights of the structured surface, creating a three-dimensional quantum dot structure results.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Quantenpunkt-Struktur ist über den Quantenpunkten eine Deckschicht angeordnet. Diese Deckschicht kann beispielsweise zur optischen und/oder elektrischen Isolation der Quantenpunkt-Struktur gegenüber der Umgebung vorgesehen sein oder als Grundlage zur Verbindung der Quantenpunkt-Struktur mit weiteren aufzuwachsenden Schichten dienen.In a preferred development of the invention Quantum dot structure is one over the quantum dots Cover layer arranged. This cover layer can, for example for optical and / or electrical isolation of the Quantum dot structure can be provided in relation to the environment or as the basis for connecting the quantum dot structure serve with further layers to be grown.
Weiterhin kann die Deckschicht der erfindungsgemäßen Quantenpunkt-Struktur bevorzugt derart vorgesehen sein, dass über der Deckschicht weitere Quantenpunkte angeordnet sind. Folglich sind gemäß der Erfindung auch dreidimensionale Quantenpunkt-Strukturen vorstellbar. Der Abstand zwischen den Schichten mit den Quantenpunkten ist dabei derart einstellbar, dass eine Kopplung von Quantenpunkten parallel zur Wachstumsrichtung der Schichten gesteuert werden kann.Furthermore, the top layer of the invention Quantum dot structure can preferably be provided such that Further quantum dots are arranged above the cover layer. Consequently, according to the invention, they are also three-dimensional Quantum dot structures imaginable. The distance between the Layers with the quantum dots are like this adjustable that a coupling of quantum dots in parallel can be controlled to the growth direction of the layers.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Quantenpunkt-Struktur weisen die weiteren Quantenpunkte oberhalb der Deckschicht die gleiche relative Anordnung auf wie die Quantenpunkte auf der strukturierten Oberfläche der ersten Schicht.In a preferred embodiment of the invention The quantum dot structure shows the other quantum dots the same relative arrangement above the cover layer like the quantum dots on the structured surface of the first layer.
Weiterhin können in der erfindungsgemäßen Quantenpunkt- Struktur alternierende Schichten mit jeweils regelmäßig angeordneten Quantenpunkten eine dreidimensionale Quantenpunkt-Struktur bilden.Furthermore, in the quantum dot Structure alternating layers with regular arranged quantum dots a three-dimensional Form quantum dot structure.
Außerdem ist es auch möglich, auf der ersten Schicht bzw. dem Substrat Schichten von zweidimensionalen Quantenpunkt- Strukturen oder Gruppen von dreidimensionalen Quantenpunkt- Strukturen mit jeweils unterschiedlichen Eigenschaften der Quantenpunkte zu bilden.It is also possible to use the first layer or the Substrate layers of two-dimensional quantum dot Structures or groups of three-dimensional quantum dot Structures with different properties To form quantum dots.
Befinden sich auf der ersten Schicht bzw. dem Substrat Schichten von zweidimensionalen Quantenpunkt-Strukturen, wobei die elektrooptischen Eigenschaften der Quantenpunkte innerhalb einer Schicht gleich sind (z. B. gleiche Verstärkung und gleiche Bandbreite), jedoch mit jeweils unterschiedlichen Eigenschaften der Quantenpunkte von Schicht zu Schicht, so kann auch eine Gesamtstruktur aus mehreren Schichten mit periodisch zyklisch vertauschten Schichten und somit Quantenpunkt-Eigenschaften gebildet werden.Are on the first layer or the substrate Layers of two-dimensional quantum dot structures, where the electro-optical properties of the quantum dots are the same within one layer (e.g. equal reinforcement and same bandwidth), but with different ones Properties of the quantum dots from layer to layer, see above can also have an overall structure of multiple layers periodically cyclically interchanged layers and thus Quantum dot properties are formed.
Eine Herstellung von hexagonalen Quantenpunkt-Strukturen kann mit Hilfe von Masken erfolgen, wobei die Masken beispielsweise durch Kugeln mit einem Durchmesser im Bereich von 10 nm bis 1 µm, vorzugsweise von 10 nm bis 100 nm, verwirklicht sein können. Hexagonal quantum dot structures can be produced done with the help of masks, the masks for example by balls with a diameter in the area from 10 nm to 1 µm, preferably from 10 nm to 100 nm, can be realized.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Oberfläche der ersten Schicht vorzugsweise durch eine Ausdehnungsvariation der ersten Schicht in deren Normalenrichtung und durch eine regelmäßige Anordnung dieser Ausdehnungsvariation senkrecht zur Normalenrichtung strukturiert, wodurch sich eine strukturierte Oberfläche mit Höhen und Senken ergibt.In the method according to the invention, the surface of the first layer preferably by an expansion variation the first layer in its normal direction and by a regular arrangement of this expansion variation vertically structured to the normal direction, whereby a structured surface with ups and downs.
Vorzugsweise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Quantenpunkte nur in den Senken der strukturierten Oberfläche ausgebildet, wodurch sich eine zweidimensionale Quantenpunkt- Struktur ergibt.Preferably, in the method according to the invention Quantum dots only in the depressions of the structured surface formed, whereby a two-dimensional quantum dot Structure results.
Alternativ dazu werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Quantenpunkte in den Senken und auf den Höhen der strukturierten Oberfläche ausgebildet, wodurch sich eine dreidimensionale Quantenpunkt-Struktur ergibt.Alternatively, in the method according to the invention the quantum dots in the valleys and at the heights of the structured surface, which creates a three-dimensional quantum dot structure results.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird über den Quantenpunkten eine Deckschicht bereitgestellt.In a preferred embodiment of the invention The process becomes a top layer over the quantum dots provided.
Weiterhin werden über der Deckschicht bevorzugt weitere Quantenpunkte ausgebildet.Furthermore, more are preferred over the cover layer Quantum dots formed.
Vorzugsweise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die weiteren Quantenpunkte oberhalb der Deckschicht mit der gleichen Anordnung wie die Quantenpunkte auf der strukturierten Oberfläche ausgebildet.Preferably, in the method according to the invention further quantum dots above the top layer with the same arrangement as the quantum dots on the structured surface.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Anordnung der Quantenpunkte durch alternierende Schichten mit jeweils regelmäßig angeordneten Quantenpunkten verwirklicht.In a preferred embodiment of the invention The arrangement of the quantum dots is followed by the process alternating layers with regularly arranged Realized quantum dots.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten. Embodiments of the invention are in the figures shown and are explained in more detail below. there the same reference numerals designate the same components.
Es zeigenShow it
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erste Schicht zu Beginn der Herstellung einer Quantenpunkt-Struktur gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 1 is a plan view of a first layer at the start of manufacturing a quantum dot structure according to a first embodiment of the invention;
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Quantenpunkt-Struktur aus Fig. 1 entlang der Schnittlinie L-L; FIG. 2 shows a cross section through the quantum dot structure from FIG. 1 along the section line LL;
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Quantenpunkt-Struktur gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 3 is a cross section of a quantum dot structure according to a second embodiment of the invention;
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Quantenpunkt-Struktur gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 4 is a cross section of a quantum dot structure according to a third embodiment of the invention;
Fig. 5 einen Querschnitt durch eine Quantenpunkt-Struktur gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 5 is a cross section of a quantum dot structure according to a fourth embodiment of the invention;
Fig. 6 einen Querschnitt durch eine Quantenpunkt-Struktur gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 6 is a cross section of a quantum dot structure according to a fifth embodiment of the invention;
Fig. 7 einen Querschnitt durch eine Quantenpunkt-Struktur gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und Fig. 7 is a cross section of a quantum dot structure according to a sixth embodiment of the invention; and
Fig. 8 einen Querschnitt durch eine Quantenpunkt-Struktur gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 8 is a cross section of a quantum dot structure according to a seventh embodiment of the invention.
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Schicht 102 zu Beginn der Herstellung einer Quantenpunkt-Struktur 101 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 1 shows a plan view of a first layer 102 at the start of manufacturing a quantum dot structure 101 according to a first embodiment of the invention.
Als Material für die erste Schicht 102 wird in diesem Ausführungsbeispiel GaAs verwendet. Zur Strukturierung der Oberfläche der ersten Schicht 102 befindet sich auf dieser eine Monolage gleich großer Strukturierungskörper 103, welche in diesem Ausführungsbeispiel die Form von Kugeln haben und auf den Gitterpunkten einer Begrenzungsfläche einer Elementarzelle einer hexagonal dichtesten Packung angeordnet und aus Silicatglas gefertigt sind. Die Strukturierungskörper 103 berühren jeweils ihre nächsten Nachbarn. Durch die Form und Anordnung der Strukturierungskörper 103 ergeben sich Aussparungen 104 zwischen jeweils drei Strukturierungskörpern 103, welche gleiche Form haben und gleichen Abstand zur jeweils nächstliegenden Aussparung 104 aufweisen.In this exemplary embodiment, GaAs is used as the material for the first layer 102 . For structuring the surface of the first layer 102 there is a monolayer of structuring bodies 103 of the same size, which in this exemplary embodiment have the shape of spheres and are arranged on the grid points of a boundary surface of an elementary cell of a hexagonally closest packing and are made of silicate glass. The structuring bodies 103 each touch their closest neighbors. The shape and arrangement of the structuring bodies 103 result in recesses 104 between three structuring bodies 103 , which have the same shape and are at the same distance from the nearest recess 104 .
In einem MOCVD-Prozess wird In0 5Ga0, 5As als zweite Schicht in den Aussparungen 104 auf die erste Schicht 102 aufgewachsen. Das aufgewachsene Material bildet durch seine Transformationswilligkeit sowie durch die Strukturierungskörper 103 gleich große Quantenpunkte mit gleichem Abstand zueinander aus, welche eine regelmäßige Quantenpunkt-Struktur 101 in zwei Dimensionen parallel zur Oberfläche der ersten Schicht 102 bilden. Die Strukturierungskörper 103 werden nachfolgend durch einen Lift-off-Prozess von der ersten Schicht 102 entfernt, so dass nur noch die erste Schicht 102 mit den aufgewachsenen Quantenpunkten übrig bleibt.In a MOCVD process, In 0 5 Ga 0 , 5 As is grown as a second layer in the cutouts 104 on the first layer 102 . Due to its willingness to transform and the structuring bodies 103 , the grown material forms quantum dots of equal size with the same spacing from one another, which form a regular quantum dot structure 101 in two dimensions parallel to the surface of the first layer 102 . The structuring bodies 103 are subsequently removed from the first layer 102 by a lift-off process, so that only the first layer 102 with the grown quantum dots remains.
Die Strukturierungskörper 103 können auch andere Formen als in diesem Ausführungsbeispiel aufweisen. Dabei könnte es sich vor allem um eine zylindrische Form oder eine kubische Form handeln. Weiterhin können die Strukturierungskörper 103 auch in einer anderen als der hexagonal dichtesten Packung angeordnet sein.The structuring bodies 103 can also have different shapes than in this exemplary embodiment. Above all, this could be a cylindrical shape or a cubic shape. Furthermore, the structuring bodies 103 can also be arranged in a packing other than the densest hexagonal.
An Stelle von Silicatglas für die Strukturierungskörper 103 kann auch ein anderes Material verwendet werden, so beispielsweise Latex oder Kunstharz. Latex hat den Vorteil, dass in seine vernetzte Polymerstruktur kleine magnetische oder magnetisierbare Atome eingebaut werden können, wodurch die Positionierung, die Fixierung während des MOCVD-Prozesses und die Entfernung im Lift-Off-Prozess mit Hilfe von Magnetkräften durchführbar wäre. Kunstharz hat einen vergleichbaren Vorteil wie Latex, jedoch würden bei Kunstharz nicht Magnetkräfte sondern elektrische Feldkräfte zum Einsatz kommen.Instead of silicate glass for the structuring body 103 , another material can also be used, for example latex or synthetic resin. Latex has the advantage that small magnetic or magnetizable atoms can be built into its cross-linked polymer structure, which means that the positioning, the fixation during the MOCVD process and the removal in the lift-off process could be carried out with the help of magnetic forces. Synthetic resin has a comparable advantage as latex, but synthetic resin would not use magnetic forces, but electric field forces.
Als Alternative zur Strukturierung mittels Strukturierungskörpern 103 kann auch die Anwendung einer konstruierten Potentialverteilung auf der Oberfläche der ersten Schicht 102 verwendet werden. Selbstverständlich können auch andere Maßnahmen zur Strukturierung der Oberfläche der ersten Schicht 102 angewandt werden.As an alternative to structuring by means of structuring bodies 103 , the use of a constructed potential distribution on the surface of the first layer 102 can also be used. Of course, other measures for structuring the surface of the first layer 102 can also be used.
An Stelle von GaAs als Material für die erste Schicht 102 und von In0 5Ga0, 5As als Material für die Quantenpunkte kann auch jede andere Kombination von Materialien aus der Gruppe der IV-IV-, III-V- und II-VI-Halbleiter verwendet werden.Instead of GaAs as the material for the first layer 102 and from 0 to 5 Ga 0, 5 As a material for the quantum dots can also be any other combination of materials from the group of IV-IV, III-V and II-VI - Semiconductors are used.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Quantenpunkt-Struktur 101, welche gemäß der Beschreibung zu Fig. 1 hergestellt wurde, entlang der Schnittlinie L-L. Deutlich sind hier die regelmäßig angeordneten und gleich großen Quantenpunkte 201 dargestellt. FIG. 2 shows a cross section through the quantum dot structure 101 , which was produced according to the description of FIG. 1, along the section line LL. The regularly arranged and equally large quantum dots 201 are clearly shown here.
In Fig. 3 ist ein Querschnitt durch eine Quantenpunkt-Struktur 301 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. FIG. 3 shows a cross section through a quantum dot structure 301 according to a second exemplary embodiment of the invention.
Die Quantenpunkt-Struktur 301 basiert auf der Quantenpunkt- Struktur 101, wurde analog wie in Fig. 1 beschrieben hergestellt und weist zusätzlich eine Deckschicht 302 auf. Die Deckschicht 302 bedeckt die Oberfläche der ersten Schicht 102 sowie die Quantenpunkte 201. Diese Deckschicht 302 dient der optischen und/oder elektrischen Beschränkung der Quantenpunkt-Struktur 301 und kann dabei auch aus Stapeln von mehreren Schichten bestehen. Weiterhin kann die Deckschicht 302 auch derart ausgebildet sein, dass sie das von den Quantenpunkten 201 erzeugte Licht von den Quantenpunkten 201 zum Bestimmungsort führen.The quantum dot structure 301 is based on the quantum dot structure 101 , was produced analogously to that described in FIG. 1 and additionally has a cover layer 302 . The cover layer 302 covers the surface of the first layer 102 and the quantum dots 201 . This cover layer 302 serves to optically and / or electrically restrict the quantum dot structure 301 and can also consist of stacks of several layers. Further, 302 may be also formed so the top layer to lead the light generated by the quantum dots 201 of the quantum dots 201 to the destination.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine Quantenpunkt- Struktur 401 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 4 shows a cross section of a quantum dot structure 401 according to a third embodiment of the invention.
Das dritte Ausführungsbeispiel ist eine Weiterbildung des zweiten Ausführungsbeispiels. In einer Ebene oberhalb und parallel zur Oberfläche der ersten Schicht 102 wurden auf der Deckschicht 302 eine regelmäßige Anordnung von zweiten Quantenpunkten 402 gebildet. Die zweiten Quantenpunkte 402 befinden sich genau oberhalb der Quantenpunkte 201 und sind von diesen nur durch die Deckschicht 302 getrennt. Zur Erzeugung der zweiten Quantenpunkte 402 ist keine erneute Strukturierung der Deckschicht 302 notwendig, wenn die Deckschicht 302 nicht zu dick ist und sich somit die energetische Verspannung der Quantenpunkte 201 auf das Potential der Oberfläche der Deckschicht 302 auswirken kann. In einer Draufsicht auf die Quantenpunkt-Struktur 401 würden die Quantenpunkte 201 und die zweiten Quantenpunkte 402 deckungsgleich dargestellt werden. Die Quantenpunkt-Struktur 401 weist folglich eine dreidimensionale Anordnung von Quantenpunkten auf.The third exemplary embodiment is a further development of the second exemplary embodiment. A regular arrangement of second quantum dots 402 was formed on the cover layer 302 in a plane above and parallel to the surface of the first layer 102 . The second quantum dots 402 are located exactly above the quantum dots 201 and are only separated from them by the cover layer 302 . No renewed structuring of the cover layer 302 is necessary to produce the second quantum dots 402 if the cover layer 302 is not too thick and the energetic tensioning of the quantum dots 201 can thus have an effect on the potential of the surface of the cover layer 302 . In a top view of the quantum dot structure 401 , the quantum dots 201 and the second quantum dots 402 would be shown congruently. The quantum dot structure 401 consequently has a three-dimensional arrangement of quantum dots.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch eine Quantenpunkt- Struktur 501 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 5 shows a cross section of a quantum dot structure 501 according to a fourth embodiment of the invention.
Dieses Ausführungsbeispiel ist mit dem in Fig. 3 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel vergleichbar. Die aus Fig. 4 bekannte Quantenpunkt-Struktur 401 wird hier durch eine zweite Deckschicht 502 ergänzt, deren Eigenschaften mit den Eigenschaften der Deckschicht 302 vergleichbar sind.This embodiment is comparable to the second embodiment shown in FIG. 3. The quantum dot structure 401 known from FIG. 4 is supplemented here by a second cover layer 502 , the properties of which are comparable to the properties of the cover layer 302 .
In Fig. 6 ist ein Querschnitt durch eine Quantenpunkt-Struktur 601 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Hier wurde die Quantenpunkt-Struktur 401 aus Fig. 4 durch dritte Quantenpunkte 602 erweitert, welche jeweils oberhalb aber genau zwischen den Quantenpunkten 201 angeordnet sind. Eine dritte Deckschicht 603 bedeckt die dritten Quantenpunkte 602. Auch die dritte Deckschicht 603 hat mit der Deckschicht 302 vergleichbare Eigenschaften. Auch die Quantenpunkt-Struktur 601 weist folglich eine dreidimensionale Anordnung von Quantenpunkten auf. FIG. 6 shows a cross section through a quantum dot structure 601 according to a fifth exemplary embodiment of the invention. Here, the quantum dot structure 401 from FIG. 4 was expanded by third quantum dots 602 , which are each arranged above but exactly between the quantum dots 201 . A third cover layer 603 covers the third quantum dots 602 . The third cover layer 603 also has properties comparable to the cover layer 302 . The quantum dot structure 601 consequently also has a three-dimensional arrangement of quantum dots.
Fig. 7 zeigt einen Querschnitt durch eine Quantenpunkt- Struktur 701 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 7 shows a cross section of a quantum dot structure 701 according to a sixth embodiment of the invention.
Das Verfahren zur Herstellung der Quantenpunkt-Struktur 701 gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel ist vergleichbar mit dem Verfahren zur Herstellung der Quantenpunkt-Struktur 101 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.The method for producing the quantum dot structure 701 according to the sixth exemplary embodiment is comparable to the method for producing the quantum dot structure 101 according to the first exemplary embodiment of the invention.
Als Material für die erste Schicht 102 wird in diesem Ausführungsbeispiel wieder GaAs verwendet. Zur Strukturierung der Oberfläche der ersten Schicht 102 befindet sich auf dieser eine Monolage gleich großer Strukturierungskörper, welche auch in diesem Ausführungsbeispiel die Form von Kugeln haben und auf den Gitterpunkten einer Begrenzungsfläche einer Elementarzelle einer hexagonal dichtesten Packung angeordnet und aus Silicatglas gefertigt sind. Die Strukturierungskörper berühren jeweils ihre nächsten Nachbarn. Durch die Form und Anordnung der Strukturierungskörper ergeben sich Aussparungen zwischen jeweils drei Strukturierungskörpern, welche gleiche Form haben und gleichen Abstand zur jeweils nächstliegenden Aussparung aufweisen.In this exemplary embodiment, GaAs is again used as the material for the first layer 102 . For structuring the surface of the first layer 102 there is a monolayer of structuring bodies of the same size, which in this embodiment also have the shape of spheres and are arranged on the grid points of a boundary surface of a unit cell of a hexagonally closest packing and are made of silicate glass. The structuring bodies each touch their closest neighbors. The shape and arrangement of the structuring bodies result in recesses between three structuring bodies, which have the same shape and are at the same distance from the nearest recess.
In einem MOCVD-Prozess wird das gleiche Material wie für die erste Schicht 102, in diesem Ausführungsbeispiel also GaAs, in den Aussparungen auf die erste Schicht 102 aufgewachsen. Das aufgewachsene Material bildet durch die Strukturierungskörper gleich große Erhebungen 702 mit gleichem Abstand zueinander aus.In a MOCVD process, the same material as for the first layer 102 , in this exemplary embodiment GaAs, is grown in the cutouts on the first layer 102 . Due to the structuring body, the grown material forms elevations 702 of equal size with the same spacing from one another.
In einem weiteren MOCVD-Prozess wird In0, 5Ga0, 5As als zweite Schicht auf die Erhebungen 702 der ersten Schicht 102 aufgewachsen. Das aufgewachsene Material bildet durch seine Transformationswilligkeit sowie durch die Erhebungen 702 und die Strukturierungskörper gleich große obere Quantenpunkte 703 mit gleichem Abstand zueinander aus, welche eine regelmäßige Struktur der oberen Quantenpunkte 703 in zwei Dimensionen parallel zur Oberfläche der ersten Schicht 102 bilden. Die Strukturierungskörper werden nachfolgend durch einen Lift-off-Prozess von der ersten Schicht 102 entfernt, so dass Senken 704 zwischen den Erhebungen 702 auf der ersten Schicht 102 übrig bleiben.In another MOCVD process 5 Ga 0 is at 0, grown 5 As a second layer on the bumps 702 of the first layer 102nd Due to its willingness to transform and the elevations 702 and the structuring bodies , the grown material forms upper quantum dots 703 of equal size with the same spacing from one another, which form a regular structure of the upper quantum dots 703 in two dimensions parallel to the surface of the first layer 102 . The structuring bodies are subsequently removed from the first layer 102 by a lift-off process, so that depressions 704 remain between the elevations 702 on the first layer 102 .
Die Quantenpunkt-Struktur 701 gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel besteht somit aus der ersten Schicht 102 mit einer regelmäßigen, strukturierten Oberfläche mit Erhebungen 702 und Senken 704 sowie auf den Erhebungen 702 aufgewachsenen oberen Quantenpunkten 703.The quantum dot structure 701 according to the sixth exemplary embodiment thus consists of the first layer 102 with a regular, structured surface with elevations 702 and depressions 704 and upper quantum dots 703 grown on the elevations 702 .
An Stelle von GaAs als Material für die erste Schicht 102 und von In0, 5Ga0, 5As als Material für die oberen Quantenpunkte 703 kann auch jede andere Kombination von Materialien aus der Gruppe der IV-IV-, III-V- und II-VI-Halbleiter verwendet werden.Instead of GaAs as the material for the first layer 102 and from 0 to 5 Ga 0, 5 As the material for the upper quantum dots 703, any other combination of materials may be from the group of IV-IV, III-V and II-VI semiconductors can be used.
Alternativ zu diesem Ausführungsbeispiel kann die Entfernung der Strukturierungskörper mittels Lift-off-Prozess auch vor der Abscheidung des Quantenpunkt-Materials und somit vor der Bildung von Quantenpunkten auf der ersten Schicht 102 erfolgen. Dem abzuscheidenden Quantenpunkt-Material bietet sich dann eine reine GaAs-Oberfläche mit Erhebungen 702 und Senken 704. Die Materialbestandteile des abzuscheidenden Quantenpunkt-Materials finden auf den Erhebungen 702 ein lokales Energieminimum und in den Senken 704 ein absolutes Energieminimum vor. Durch die Transformationswilligkeit des Quantenpunkt-Materials und die Tendenz, ein absolutes Energieminimum zu erreichen, bilden sich folglich bei bereits entfernten Strukturierungskörpern Quantenpunkte vorwiegend in den Senken 704 der ersten Schicht 102 aus.As an alternative to this exemplary embodiment, the structuring bodies can also be removed by means of a lift-off process before the quantum dot material is deposited and thus before quantum dots are formed on the first layer 102 . The quantum dot material to be deposited is then offered a pure GaAs surface with elevations 702 and depressions 704 . The material components of the quantum dot material to be deposited find a local energy minimum on the elevations 702 and an absolute energy minimum in the depressions 704 . As a result of the willingness to transform the quantum dot material and the tendency to achieve an absolute energy minimum, quantum dots predominantly form in the depressions 704 of the first layer 102 in the case of structuring bodies which have already been removed.
Fig. 8 zeigt einen Querschnitt durch eine Quantenpunkt- Struktur 801 gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 8 shows a cross section of a quantum dot structure 801 according to a seventh embodiment of the invention.
Die Quantenpunkt-Struktur 801 gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von der Quantenpunkt- Struktur 701 gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung dadurch, dass sich sowohl auf den Erhebungen 702 der ersten Schicht 102 obere Quantenpunkte 703 als auch in den Senken 704 der ersten Schicht 102 untere Quantenpunkte 802 ausgebildet haben. Somit repräsentiert dieses Ausführungsbeispiel eine dreidimensionale Quantenpunkt- Struktur 801.The quantum dot structure 801 according to the seventh exemplary embodiment differs from the quantum dot structure 701 according to the sixth exemplary embodiment of the invention in that upper quantum dots 703 are located on the elevations 702 of the first layer 102 as well as lower ones in the depressions 704 of the first layer 102 Have formed quantum dots 802 . Thus, this embodiment represents a three-dimensional quantum dot structure 801 .
Eine Möglichkeit zur Herstellung der Quantenpunkt-Struktur 801 gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel ist eine gezielte Weiterbehandlung der Quantenpunkt-Struktur 701 gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel, wobei zunächst über den oberen Quantenpunkten 703 jeweils eine Schutzkappe abgeschieden wird, dann die unteren Quantenpunkte 802 durch einen MOCVD- Prozess sowie Materialtransformation gebildet und schließlich die Schutzkappen über den oberen Quantenpunkten 703 wieder entfernt werden.One possibility for producing the quantum dot structure 801 according to the seventh exemplary embodiment is a targeted further treatment of the quantum dot structure 701 according to the sixth exemplary embodiment, a protective cap being deposited first over the upper quantum dots 703 , then the lower quantum dots 802 using a MOCVD process as well as material transformation and finally the protective caps over the upper quantum dots 703 are removed again.
Auf die Quantenpunkt-Struktur 801 gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung können ebenso noch weitere Material- und Quantenpunkt-Schichten aufgewachsen werden, wie dies bereits für die in Fig. 3 bis Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde. In the quantum dot structure 801 according to the seventh embodiment of the invention may be quantum dot layers grown also further material and, as has already been described for the embodiments shown in Fig. 3 to Fig. 6 embodiments.
In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
[1] M. Grundmann und D. Bimberg, Selbstordnende
Quantenpunkte: Vom Festkörper zum Atom, Physikalische
Blätter, Band 53, S. 517-522, Juni 1997
[2] M. Winzer et al., Fabrication of nano-dot- and nano-ring
arrays by nanosphere lithography, Applied Physics A,
volume 63, issue 6, p. 617-619, December 1996
The following publications are cited in this document:
[1] M. Grundmann and D. Bimberg, Self-Ordering Quantum Dots: From Solid to Atom, Physikalische Blätter, Volume 53 , pp. 517-522, June 1997
[2] M. Winzer et al., Fabrication of nano-dot and nano-ring arrays by nanosphere lithography, Applied Physics A, volume 63, issue 6, p. 617-619, December 1996
101101
Quantenpunkt-Struktur gemäß erstem Ausführungsbeispiel
Quantum dot structure according to the first embodiment
102102
erste Schicht
first layer
103103
Strukturierungskörper
structuring body
104104
Aussparungen
recesses
201201
Quantenpunkt
quantum dot
301301
Quantenpunkt-Struktur gemäß zweitem Ausführungsbeispiel
Quantum dot structure according to the second embodiment
302302
Deckschicht
topcoat
401401
Quantenpunkt-Struktur gemäß drittem Ausführungsbeispiel
Quantum dot structure according to the third embodiment
402402
zweiter Quantenpunkt
second quantum dot
501501
Quantenpunkt-Struktur gemäß viertem Ausführungsbeispiel
Quantum dot structure according to the fourth embodiment
502502
zweite Deckschicht
second top layer
601601
Quantenpunkt-Struktur gemäß fünftem Ausführungsbeispiel
Quantum dot structure according to the fifth embodiment
602602
dritter Quantenpunkt
third quantum dot
603603
dritte Deckschicht
third top layer
701701
Quantenpunkt-Struktur gemäß sechstem
Ausführungsbeispiel
Quantum dot structure according to the sixth embodiment
702702
Erhebung
survey
703703
oberer Quantenpunkt
upper quantum dot
704704
Senke
depression
801801
Quantenpunkt-Struktur gemäß siebtem Ausführungsbeispiel
Quantum dot structure according to the seventh exemplary embodiment
802802
unterer Quantenpunkt
lower quantum dot
Claims (18)
mit einer ersten Schicht (102) aus einem ersten Material mit einer ersten Gitterkonstante,
bei der die erste Schicht (102) eine strukturierte Oberfläche aufweist, und
mit einer über dieser strukturierten Oberfläche der ersten Schicht (102) aufgewachsenen zweiten Schicht aus einem zweiten Material mit einer zweiten Gitterkonstante, die ungleich der ersten Gitterkonstante ist,
wobei das erste Material, die strukturierte Oberfläche und das zweite Material derart eingerichtet sind, dass sich in der zweiten Schicht Quantenpunkte (201) gleicher Größe und mit gleichem Abstand zueinander ausbilden.1. Quantum dot structure
with a first layer ( 102 ) made of a first material with a first lattice constant,
in which the first layer ( 102 ) has a structured surface, and
with a second layer made of a second material having a second lattice constant that is not equal to the first lattice constant and grown over this structured surface of the first layer ( 102 ),
the first material, the structured surface and the second material being set up in such a way that quantum dots ( 201 ) of the same size and at the same distance from one another form in the second layer.
- - Bereitstellen einer ersten Schicht (102) aus einem ersten Material mit einer ersten Gitterkonstante und mit einer Oberfläche,
- - Strukturieren der Oberfläche der ersten Schicht (102), und
- - Aufwachsen einer zweiten Schicht aus einem zweiten Material mit einer zweiten Gitterkonstante, die ungleich der ersten Gitterkonstante ist, über dieser strukturierten Oberfläche, wobei das erste Material, die strukturierte Oberfläche und das zweite Material derart eingerichtet sind, dass sich in der zweiten Schicht Quantenpunkte (201) gleicher Größe und mit gleichem Abstand zueinander ausbilden.
- Providing a first layer ( 102 ) made of a first material with a first lattice constant and with a surface,
- - Structuring the surface of the first layer ( 102 ), and
- - Growing a second layer of a second material with a second lattice constant, which is not equal to the first lattice constant, over this structured surface, the first material, the structured surface and the second material being set up in such a way that quantum dots ( 201 ) of the same size and at the same distance from each other.
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|---|---|---|---|---|
| US5888885A (en) * | 1997-05-14 | 1999-03-30 | Lucent Technologies Inc. | Method for fabricating three-dimensional quantum dot arrays and resulting products |
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| Appl. Phys. Letters, Bd. 76, 2000, S. 3397-3399 Solid-State Electronics, Bd. 40, 1996, S. 799-802 * |
| Appl. Phys. Letters, Bd. 77, 2000, S. 385-387 * |
| Appl. Physics Letters, Bd. 73, 1998, S. 1712-1714,KELLY, M.J. Low-Dimensional Semiconductors, Clarendon Press, Oxford 1995, S. 437-439, Jpn. J. Appl. Phys. Bd. 37, 1998, S. 1559-1564 * |
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