RU2748938C1

RU2748938C1 - Method for generation of regular quantum dot arrays

Info

Publication number: RU2748938C1
Application number: RU2020108030A
Authority: RU
Inventors: Максим Сергеевич Солодовник; Наталия Евгеньевна Черненко; Сергей Вячеславович Балакирев; Михаил Михайлович Еременко; Олег Алексеевич Агеев
Priority date: 2020-02-21
Filing date: 2020-02-21
Publication date: 2021-06-01

Abstract

FIELD: electronics.

SUBSTANCE: invention relates to the field of electronics and optoelectronics and can be used in creating structures of active elements of nano- and optoelectronics and integrated circuits based thereon. The method for generation of a regular quantum dot array includes using a substrate with nucleation centers, controlled formation of nucleation centers, selective formation of quantum dots, wherein the photolithography method is used to form the nucleation centers, depressions are used as nucleation centers, a buffer layer separating the substrate and quantum dots is formed.

EFFECT: invention allows forming regular quantum dot arrays with high structural perfection and controlling the position of nucleation centers by controlled creation of nucleation centers using the photolithography method in form of depressions and deposition of a buffer layer separating the substrate and quantum dots.

1 cl, 1 dwg

Description

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.The proposed method relates to the field of electronics and optoelectronics and can be used to create structures of active elements of nano- and optoelectronics and integrated circuits based on them.

Известен аналог заявляемого объекта «Способ получения наноструктур полупроводника» [RU Патент №2385835 от 23 октября 2008 года], содержащий этапы содержащий этапы формирования регулярных массивов квантовых точек на подложке: на первом этапе формируется оксидная матрица центров зарождения путем двухстадийного анодного окисления исходного материала матрицы до образования упорядоченно расположенной структуры нанопор, на втором этапе происходит формирование массива квантовых точек путем осаждения в оксидную матрицу полупроводника, на третьем этапе происходит удаление оксидной матрицы.A known analogue of the claimed object "Method for producing semiconductor nanostructures" [RU Patent No. 2385835 dated October 23, 2008], containing stages containing the stages of forming regular arrays of quantum dots on a substrate: at the first stage, an oxide matrix of nucleation centers is formed by two-stage anodic oxidation of the initial matrix material to the formation of an ordered structure of nanopores, at the second stage, an array of quantum dots is formed by deposition into the oxide matrix of a semiconductor; at the third stage, the oxide matrix is removed.

Данный способ позволяет формировать регулярный массив квантовых точек.This method makes it possible to form a regular array of quantum dots.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, использование подложки с центрами зарождения, селективность образования квантовых точек.Signs of an analogue, coinciding with the essential features of the claimed object, the use of a substrate with nucleation centers, the selectivity of the formation of quantum dots.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: неуправляемое формирование центров зарождения и квантовых точек в силу случайного характера процессов образования центров зарождения в оксидной матрице, химическое удаление оксидной матрицы после формирования квантовых точек и отсутствие буферного слоя, отделяющего подложку и квантовые точки, что приводит к деградации функциональных характеристик квантовых точек вследствие их контакта с агрессивными средами.The reasons that impede the achievement of the technical result are: uncontrolled formation of nucleation centers and quantum dots due to the random nature of the formation of nucleation centers in the oxide matrix, chemical removal of the oxide matrix after the formation of quantum dots and the absence of a buffer layer separating the substrate and quantum dots, which leads to degradation of the functional characteristics of quantum dots due to their contact with aggressive media.

Известен аналог заявляемого объекта «Process to grow a highly ordered quantum dot array, quantum dot array grown in accordance with the process, and devices incorporating same» [US Патент № WO 2006/017220 A1 от 16 февраля 2006 года], содержащий этапы формирования регулярных массивов квантовых точек на подложке: на первом этапе формируется оксидная матрица путем двухстадийного анодного окисления исходного материала матрицы до образования упорядоченно расположенной структуры нанопор, на втором этапе проводится травление подложки через оксидную матрицу с целью формирования центров зарождения в виде углублений, на третьем этапе проводится удаление оксидной матрицы, химическая очистка" поверхности структурированной подложки, на четвертом этапе проводится осаждение буферного слоя, отделяющего подложку и квантовые точки, и на заключительном этапе на подложке в сформированных центрах зарождения в виде углублений осаждаются квантовые точки.Known analogue of the claimed object "Process to grow a highly ordered quantum dot array, quantum dot array grown in accordance with the process, and devices incorporating same" [US Patent No. WO 2006/017220 A1 dated February 16, 2006], containing the stages of forming regular arrays of quantum dots on the substrate: at the first stage, an oxide matrix is formed by two-stage anodic oxidation of the initial matrix material to form an ordered structure of nanopores; at the second stage, the substrate is etched through the oxide matrix in order to form nucleation centers in the form of depressions; at the third stage, the oxide matrix, chemical cleaning "of the surface of the structured substrate, at the fourth stage, a buffer layer separating the substrate and quantum dots is deposited, and at the final stage, quantum dots are deposited on the substrate in the formed nucleation centers in the form of depressions.

Данный способ позволяет получать регулярный массив квантовых точек с высоким структурным совершенством.This method makes it possible to obtain a regular array of quantum dots with high structural perfection.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, является: использование подложки с центрами зарождения, осаждение буферного слоя, отделяющего подложку и квантовые точки, селективность образования и высокое структурное совершенство квантовых точек.Signs of an analogue that coincide with the essential features of the claimed object are: the use of a substrate with nucleation centers, deposition of a buffer layer separating the substrate and quantum dots, selectivity of formation and high structural perfection of quantum dots.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: неуправляемое формирование центров зарождения и квантовых точек в силу случайного характера процессов образования центров зарождения в оксидной матрице.The reasons that impede the achievement of the technical result are: uncontrolled formation of nucleation centers and quantum dots due to the random nature of the formation of nucleation centers in the oxide matrix.

Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является «Способ формирования наноточек на поверхности кристалла» [RU Патент №2539757 С1 от 4 июля 2013 года], содержащий этапы формирования регулярных массивов квантовых точек на подложке: на первом этапе формируются центры зарождения в виде матрицы точечных дефектов с помощью комбинации методов фотолитографии и облучения электромагнитным излучением, на втором этапе в сформированные центры зарождения осаждаются квантовые точки.Of the known analogs, the closest in technical essence to the claimed object is "Method for the formation of nanodots on the surface of a crystal" [RU Patent No. 2539757 C1 dated July 4, 2013], containing the stages of forming regular arrays of quantum dots on a substrate: at the first stage, nucleation centers are formed in in the form of a matrix of point defects using a combination of photolithography and electromagnetic irradiation methods; at the second stage, quantum dots are deposited into the formed nucleation centers.

Данный способ позволяет получать регулярный массив квантовых точек.This method allows you to obtain a regular array of quantum dots.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, является: использование подложки с центрами зарождения, управляемое формирование центров зарождения, селективное формирование квантовых точек.The features of the prototype, which coincide with the essential features of the claimed object, are: the use of a substrate with nucleation centers, controlled formation of nucleation centers, selective formation of quantum dots.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: использование точечных дефектов в качестве центров зарождения, отсутствие осаждения буферного слоя, отделяющего подложку и квантовые точки, что приводит к деградации кристаллической структуры и функциональных характеристик квантовых точек.The reasons preventing the achievement of the technical result are: the use of point defects as nucleation centers, the absence of deposition of the buffer layer separating the substrate and quantum dots, which leads to degradation of the crystal structure and functional characteristics of quantum dots.

Технический результат предполагаемого способа - формирование регулярных массивов квантовых точек с высоким структурным совершенством и управлением положением центров зарождения путем управляемого, с помощью метода фотолитографии, создания центров зарождения в виде углублений и осаждения буферного слоя, отделяющего подложку и квантовые точки.The technical result of the proposed method is the formation of regular arrays of quantum dots with high structural perfection and control of the position of nucleation centers by controlled, using the photolithography method, creation of nucleation centers in the form of depressions and deposition of a buffer layer separating the substrate and quantum dots.

Технический результат достигается за счет того, что для формирования центров зарождения используется метод фотолитографии, что позволяет управлять положением центров зарождения и, в последствии, квантовых точек, в качестве центров зарождения используются углубления, что позволяет повысить селективность формирования квантовых точек, а также формируется буферный слой, отделяющий подложку и квантовые точки, что позволяет подавить деградацию кристаллической структуры и функциональных характеристик и обеспечить высокое структурное совершенство квантовых точек.The technical result is achieved due to the fact that the photolithography method is used to form nucleation centers, which makes it possible to control the position of nucleation centers and, subsequently, quantum dots; depressions are used as nucleation centers, which makes it possible to increase the selectivity of the formation of quantum dots, and also a buffer layer is formed separating the substrate and quantum dots, which allows suppressing the degradation of the crystal structure and functional characteristics and ensuring high structural perfection of quantum dots.

Для достижения необходимого технического результата предложен способ получения регулярных массивов квантовых точек, состоящий из этапов формирования центров зарождения в виде углублений с помощью метода фотолитографии, предростовой обработки поверхности, формирование буферного слоя, отделяющего подложку и квантовые точки, селективного формирования квантовых точек в сформированных центрах зарождения.To achieve the required technical result, a method is proposed for obtaining regular arrays of quantum dots, which consists of the stages of formation of nucleation centers in the form of depressions using the photolithography method, pregrowth surface treatment, formation of a buffer layer separating the substrate and quantum dots, and selective formation of quantum dots in the formed nucleation centers.

На Фиг. 1 изображена схема этапов формирования структуры с регулярными массивами квантовых точек.FIG. 1 shows a diagram of the stages of formation of a structure with regular arrays of quantum dots.

Изготовление регулярных массивов квантовых точек происходит следующим образом.The production of regular arrays of quantum dots is as follows.

На исходной полупроводниковой подложке 1 (Фиг. 1, шаг 1) проводится формирование центров зарождения в виде углублений с помощью метода фотолитографии (Фиг. 1, шаги 1-5). Для этого формируется слой фоторезиста 2 и металлическая маска с заданной топологией 3 (Фиг. 1, шаг 2). Затем проводится экспонирование сформированной структуры в электромагнитном излучении, в ходе которого участки резиста 4, не защищенные маской, задубливаются и изменяют свои физико-химические свойства (Фиг. 1, шаг 3). На следующем этапе металлическая маска удаляется и структура травится в жидком травителе, в ходе чего незадубленные участки резиста удаляются, в результате чего также протравливается подложка 1 и формируются массив углублений 5 заданной топологией, при этом задубленные участки 4 не травятся (Фиг. 1, шаг 4). Химически удаляются задубленные участки резиста, проводится финишная очистка с последующей предростовой подготовкой поверхности подложки, в результате чего получается подложка 1 с сформированными на поверхности центрами зарождения в виде углублений 5 заданной топологией, готовая к последующему эпитаксиальному наращиванию (Фиг. 1, шаг 5). На следующем этапе осаждается буферный слой 6 полупроводникового материала матрицы с целью пространственного разделения обработанной, дефектной поверхности подложки 1 со следами химических загрязнений, не удаленных на предыдущем этапе, и высококачественной поверхности осаждаемого полупроводникового буферного слоя (Фиг. 1, шаг 6). Затем на подложку 1 с центрами зарождения в виде углублений поверх полупроводникового буферного слоя 6 осаждается материал квантовых точек докритической толщины, что в условиях стимулированной поверхностной диффузии приводит к селективной нуклеации и росту квантовых точек в углублениях при отсутствии нуклеации и роста структур на плоских участках поверхности (Фиг. 1, шаг 7).On the original semiconductor substrate 1 (Fig. 1, step 1), the formation of nucleation centers in the form of depressions is carried out using the photolithography method (Fig. 1, steps 1-5). For this, a photoresist layer 2 and a metal mask with a given topology 3 are formed (Fig. 1, step 2). Then, the formed structure is exposed to electromagnetic radiation, during which the areas of the resist 4 not protected by the mask are hardened and change their physicochemical properties (Fig. 1, step 3). At the next stage, the metal mask is removed and the structure is etched in a liquid etchant, during which the unhardened areas of the resist are removed, as a result of which the substrate 1 is also etched and an array of depressions 5 with a given topology is formed, while the hardened areas 4 are not etched (Fig. 1, step 4 ). The hardened areas of the resist are chemically removed, a final cleaning is carried out, followed by pregrowth preparation of the substrate surface, resulting in a substrate 1 with nucleation centers formed on the surface in the form of depressions 5 with a given topology, ready for subsequent epitaxial growth (Fig. 1, step 5). In the next step, the buffer layer 6 of the semiconductor matrix material is deposited in order to spatial separation of the processed, defective surface of the substrate 1 with traces of chemical contaminants not removed in the previous step, and the high-quality surface of the deposited semiconductor buffer layer (Fig. 1, step 6). Then, on the substrate 1 with nucleation centers in the form of depressions on top of the semiconductor buffer layer 6, the material of quantum dots of subcritical thickness is deposited, which, under conditions of stimulated surface diffusion, leads to selective nucleation and growth of quantum dots in the depressions in the absence of nucleation and growth of structures on flat areas of the surface (Fig. . 1, step 7).

Таким образом, предлагаемый способ представляет собой способ, позволяющий осуществлять управление положением квантовых точек и формирование регулярного массива квантовых точек с высоким структурным совершенством материала.Thus, the proposed method is a method that allows you to control the position of quantum dots and the formation of a regular array of quantum dots with a high structural perfection of the material.

Таким образом, по сравнению с аналогичными способами, предлагаемый способ формирования регулярных массивов квантовых точек позволяет управлять положением квантовых точек на поверхности, повысить селективность формирования квантовых точек, обеспечивать высокое структурное совершенство материала квантовых точек и, как следствие, высокое качество активной среды устройств нано- и оптоэлектроники на их основе, за счет формирования центров зарождения в виде углублений с помощью метода фотолитографии, предростовой обработки поверхности, формирование буферного слоя, отделяющего подложку и квантовые точки, селективного формирования квантовых точек в сформированных центрах зарождения.Thus, in comparison with similar methods, the proposed method for the formation of regular arrays of quantum dots makes it possible to control the position of quantum dots on the surface, increase the selectivity of the formation of quantum dots, ensure high structural perfection of the material of quantum dots and, as a consequence, high quality of the active medium of nano- and optoelectronics based on them, due to the formation of nucleation centers in the form of depressions using the photolithography method, pregrowth surface treatment, the formation of a buffer layer separating the substrate and quantum dots, selective formation of quantum dots in the formed nucleation centers.

Claims

A method for obtaining a regular array of quantum dots, including the use of a substrate with nucleation centers, the formation of nucleation centers, the selective formation of quantum dots, characterized in that the formation of nucleation centers is carried out by forming depressions in the substrate by photolithography with the deposition of a buffer layer on the substrate, and the selective formation of quantum dots carried out by deposition of material of quantum dots of subcritical thickness, followed by stimulating surface diffusion, providing nucleation and growth of quantum dots in the depressions.