RU2828622C1 - Способ формирования симметричных квантовых точек - Google Patents
Способ формирования симметричных квантовых точек Download PDFInfo
- Publication number
- RU2828622C1 RU2828622C1 RU2024109551A RU2024109551A RU2828622C1 RU 2828622 C1 RU2828622 C1 RU 2828622C1 RU 2024109551 A RU2024109551 A RU 2024109551A RU 2024109551 A RU2024109551 A RU 2024109551A RU 2828622 C1 RU2828622 C1 RU 2828622C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- quantum dots
- semiconductor substrate
- formation
- symmetric
- depressions
- Prior art date
Links
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 title claims abstract description 60
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 34
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 32
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 27
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 20
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 claims description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 19
- 238000000151 deposition Methods 0.000 abstract description 11
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 6
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 4
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 4
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 4
- 230000008719 thickening Effects 0.000 description 4
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 4
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 2
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 2
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 2
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000007373 indentation Methods 0.000 description 1
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 description 1
Abstract
Предполагаемый 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. Способ формирования симметричных квантовых точек заключается в том, что сначала на поверхности полупроводниковой подложки с технологичной ориентацией (100) формируются однородные симметричные углубления в форме перевернутой пирамиды за счет анизотропного локального капельного травления, затем осуществляется селективное формирование квантовых точек путем осаждения твердого раствора замещения переменного состава (In,Al)xGa1-xAs на поверхность с углублениями, в результате чего происходит диффузионный распад твердого раствора замещения в углублении за счет различной диффузионной длины компонентов материала квантовой ямы, вследствие чего в углублениях происходит селективное самосогласованное формирование симметричные квантовых точек. Технический результат – формирование симметричных квантовых точек на поверхности полупроводниковой подложки с технологичной ориентацией (100). 1 ил.
Description
Предполагаемый 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 «Highly Uniform Array of Hexagonally Symmetric Micro-Pyramid Structures for Scalable and Single Quantum Dot Emitters» [Yong-Ho Song, Hwan-Seop Yeo, Chan-Young Sung, Byung Su Kim, Seonghun Ahn, and Yong-Hoon Cho. Highly Uniform Array of Hexagonally Symmetric Micro-Pyramid Structures for Scalable and Single Quantum Dot Emitters // Adv. Mater. Interfaces 2023, Vol. 10, 2202085], содержащий этапы формирования симметричных квантовых точек на поверхности полупроводниковой подложки: формирование на полупроводниковой подложке с ориентацией поверхности (0001) методом фотолитографии и последующего жидкостного травления маскирующего слоя с окнами; селективное формирование на поверхности полупроводниковой подложки в окнах маскирующего слоя упорядоченных массивов микропирамид путем эпитаксиального роста полупроводникового материала; осаждение тонкого слоя материала квантовых точек и селективное формирование квантовых точек на вершине усеченной пирамиды за счет локального утолщения слоя вследствие анизотропии скорости роста.
Данный способ позволяет получать симметричные квантовые точки на поверхности полупроводниковой подложки.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: возможность формирования квантовых точек в твердых растворах переменного состава; формирование симметричных квантовых точек на поверхности полупроводниковой подложки; возможность контроля положения квантовых точек.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: формирование квантовых точек за счет утолщения осаждаемого материала, что усложняет контроль размеров квантовых точек и сохранение когерентности их материала с материалом подложки, что, в свою очередь, отрицательно сказывается на структурном и оптическом качестве материала; использование полупроводниковой подложки с ориентацией (0001), которая является нетехнологичной для роста эпитаксиальных структур; использование методов фотолитографии и жидкостного травления, что приводит к необратимому загрязнению поверхности и образованию дефектов в эпитаксиальных слоях, негативно влияющих на структурное и оптическое качество материала и функциональные характеристики формируемых квантовых точек.
Известен аналог заявляемого объекта «Self-limiting growth of hexagonal and triangular quantum dots on (111)A» [Masafumi Jo, Takaaki Mano, Marco Abbarchi, Takashi Kuroda, Yoshiki Sakuma, and Kazuaki Sakoda. Self-limiting growth of hexagonal and triangular quantum dots on (111)A // Crystal Growth & Design, 2012, Vol. 12, pp. 1411-1415], содержащий этапы формирования симметричных квантовых точек на поверхности полупроводниковой подложки: осаждение эпитаксиального буферного слоя на полупроводниковую подложку с ориентацией поверхности (111); формирование металлических капель Ga на поверхности полупроводниковой подложки методом капельной эпитаксии (путем осаждения Ga из паровой фазы в отсутствие потока As), кристаллизация сформированных капель Ga в потоке As и формирование симметричных квантовых точек.
Данный способ позволяет получать симметричные квантовые точки на поверхности полупроводниковой подложки.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: формирование симметричных квантовых точек на поверхности полупроводниковой подложки.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: использование полупроводниковой подложки с ориентацией поверхности (111), которая является нетехнологичной для роста эпитаксиальных структур; использование методики капельной эпитаксии усложняет контроль размеров капель и квантовых точек на их основе, снижая технологическую воспроизводимость и точность; невозможность формирования квантовых точек в твердых растворах переменного состава, что ограничивает диапазон возможных комбинаций материалов и, как следствие, спектральный диапазон квантовых точек.
Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является «Towards 3D characterisation of site-controlled InGaAs pyramidal QDs at the nanoscale» [Kristina M. Holsgrove, Tamsin I. O’Reilly, Simone Varo, Agnieszka Gocalinska, Gediminas Juska, Demie M. Kepaptsoglou, Emanuele Pelucchi, and Miryam Arredondo. Towards 3D characterisation of site-controlled InGaAs pyramidal QDs at the nanoscale // Journal of Materials Science, 2022, Vol. 57, pp. 16383-16396], содержащий этапы формирования симметричных квантовых точек на поверхности полупроводниковой подложки: формирование на поверхности полупроводниковой подложки с ориентацией поверхности (111) углублений в форме перевернутых пирамид с помощью методов фотолитографии и жидкостного травления; осаждение барьерных слоев на поверхность полупроводниковой подложки с углублениями; селективное формирование квантовых точек в углублениях путем осаждения тонкого слоя полупроводникового материала за счет локального утолщения слоя вследствие анизотропии скорости роста.
Данный способ позволяет получать симметричные квантовые точки на поверхности полупроводниковой подложки.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: формирование симметричных квантовых точек на поверхности полупроводниковой подложки; возможность формирования квантовых точек в твердых растворах переменного состава; использование углублений пирамидальной формы для селективного формирования квантовых точек.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: формирование квантовых точек за счет утолщения осаждаемого материала на структурированную поверхность, что усложняет контроль размеров квантовых точек и сохранение когерентности их материала с материалом подложки, что, в свою очередь, отрицательно сказывается на структурном и оптическом качестве материала; использование полупроводниковой подложки с ориентацией поверхности (111), которая является нетехнологичной для роста эпитаксиальных структур; использование методов фотолитографии и жидкостного травления для формирования углублений, что приводит к необратимому загрязнению поверхности и образованию дефектов в эпитаксиальных слоях, негативно влияющих на структурное и оптическое качество материала и функциональные характеристики формируемых квантовых точек.
Технический результат предлагаемого способа - формирование в твердых растворах переменного состава (In,Al)xGa1-xAs симметричных квантовых точек на поверхности полупроводниковой подложки с технологичной ориентацией (100).
Технический результат достигается за счет того, что для формирования симметричных квантовых точек сначала на поверхности полупроводниковой подложки с технологичной ориентацией (100) формируются однородные симметричные углубления в форме перевернутой пирамиды за счет анизотропного локального капельного травления, затем осуществляется селективное формирование квантовых точек путем осаждения твердого раствора замещения переменного состава (In,Al)xGa1-xAs, на поверхность с углублениями, в результате чего в углублении происходит диффузионный распад твердого раствора замещения переменного состава за счет различной диффузионной длины компонентов материала квантовой ямы, в следствии чего в углублениях происходит селективное самосогласованное формирование симметричные квантовых точек.
Для достижения необходимого технического результата предложен способ создания симметричных квантовых точек, состоящий из этапа формирования симметричных углублений в форме перевернутой пирамиды путем анизотропного локального капельного травления поверхности полупроводниковой подложки и последующего этапа осаждения твердого раствора замещения переменного состава, на полученную поверхность с углублениями, в результате чего в углублениях селективно формируются квантовые точки вследствие диффузионного распада твердого раствора замещения переменного состава.
На Фиг. 1 изображена схема этапов способа формирования симметричных квантовых точек.
Изготовление симметричных квантовых точек происходит следующим образом.
На полупроводниковой подложке с технологичной ориентацией (100) 1 (Фиг. 1, шаг 1) методом анизотропного локального капельного травления формируются симметричные углубления в форме перевернутой пирамиды 2 (Фиг. 1, шаг 2). Затем на поверхность полупроводниковой подложки с сформированными таким образом углублениями осаждается твердого раствора замещения переменного состава 3 (Фиг. 1, шаг 3), в результате чего в углублениях из-за разницы диффузионных длин компонентов твердого раствора замещения переменного состава, происходит его диффузионный распад 4 (Фиг. 1, шаг 3) с образованием самосогласованных симметричных квантовых точек 5 (Фиг. 1, шаг 3). Использование анизотропного локального капельного травления для получения углублений пирамидальной формы исключает загрязнение ростовой поверхности посторонними веществами, что обеспечивает в дальнейшем высокое структурное и оптическое качество эпитаксиального материала и формируемых структур. Использование эффекта диффузионного распада твердого раствора замещения переменного состава позволяет обеспечивать самосогласованное формирование квантовых точек в системе материалов (In,Al)xGa1-xAs, а также гарантировать когерентность кристаллических решеток материалов квантовой точки и матрицы, что также обеспечивает высокое структурное и оптическое качество получаемых структур.
Предлагаемый способ прошел экспериментальную апробацию авторами, поскольку в его основе лежат оригинальные результаты экспериментальных исследований. Нами было показано, что при осаждении слоя твердого раствора замещения переменного состава InxGa1-xAs толщиной 10 нм на структурированную подложку GaAs(100), происходит распад раствора с образованием системы, которая включает в себя самосогласованную квантовую точку и квантовую яму в пределах каждого углубления. Результаты исследований образцов методами фотолюминесценции с микроразрешением и построением карт распределения сигнала показали, что квантовая точка обогащается узкозонным компонентом (InAs) и излучает в более длинноволновом спектральном диапазоне (920-950 нм), в то время как квантовая яма излучает в диапазоне длин волн 900-920 нм. При этом изменение размеров углублений не оказывает влияния на положение пика фотолюминесценции квантовых точек, что свидетельствует о самосогласованном процессе их формирования, а также сохранении размера, формы и химического состава квантовых точек.
Нами также было экспериментально показано, что при осаждении слоя твердого раствора замещения переменного состава AlxGa1-xAs толщиной 50 нм на структурированную подложку GaAs(100), происходит распад раствора с образованием квантовых точек. Результаты исследований образцов методами фотолюминесценции с микроразрешением и построением карт распределения сигнала показали, что квантовая точка обогащается узкозонным компонентом (GaAs) и излучает в более длинноволновом спектральном диапазоне (650-680 нм) в сравнении с слоем объемного AlxGa1-xAs, излучающем на длине волны ~630 нм. При этом изменение размеров углублений не оказывает влияния на положение пика фотолюминесценции квантовых точек, что свидетельствует о самосогласованном процессе их формирования, а также сохранении размера, формы и химического состава квантовых точек.
Таким образом, предлагаемый способ представляет собой способ, позволяющий формировать в твердого раствора замещения переменного состава (In,Al)xGa1-xAs симметричные квантовые точки на поверхности полупроводниковой подложки с технологичной ориентацией (100).
Таким образом, по сравнению с аналогичными способами, предлагаемый способ формирования симметричных квантовых точек позволяет формировать в твердого раствора замещения переменного состава (In,Al)xGa1-xAs симметричные квантовые точки на поверхности полупроводниковой подложки с технологичной ориентацией (100), за счет формирования симметричных углублений в форме перевернутой пирамиды путем анизотропного локального капельного травления на поверхности полупроводниковой подложки и последующего этапа осаждения твердого раствора замещения переменного состава (In,Al)xGa1-xAs, на полученную поверхность с диффузионным распадом твердого раствора замещения и селективным самосогласованным формированием квантовых точек в углублениях.
Claims (1)
- Способ формирования симметричных квантовых точек, заключающийся в том, что на полупроводниковой подложке с технологичной ориентацией (100) методом анизотропного локального капельного травления формируют симметричные углубления в форме перевернутой пирамиды, затем на поверхность полупроводниковой подложки осаждают твердый раствор замещения переменного состава (In,Al)xGa1-xAs, в результате чего происходит диффузионный распад твердого раствора замещения с селективным самосогласованным формированием симметричных квантовых точек в углублениях.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2828622C1 true RU2828622C1 (ru) | 2024-10-14 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2840638C1 (ru) * | 2024-12-17 | 2025-05-26 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Способ формирования низкоплотных массивов квантовых точек |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006017220A1 (en) * | 2004-07-13 | 2006-02-16 | Brown University | Process to grow a highly ordered quantum dot array, quantum dot array grown in accordance with the process, and devices incorporating same |
| CN103594334A (zh) * | 2013-11-21 | 2014-02-19 | 中国科学院半导体研究所 | 采用afm纳米压印图形衬底生长定位量子点的mbe方法 |
| RU2748938C1 (ru) * | 2020-02-21 | 2021-06-01 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Способ получения регулярных массивов квантовых точек |
| RU2815854C1 (ru) * | 2023-10-12 | 2024-03-22 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Способ создания регулярных симметричных наноразмерных углублений на поверхности полупроводниковой подложки |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006017220A1 (en) * | 2004-07-13 | 2006-02-16 | Brown University | Process to grow a highly ordered quantum dot array, quantum dot array grown in accordance with the process, and devices incorporating same |
| CN103594334A (zh) * | 2013-11-21 | 2014-02-19 | 中国科学院半导体研究所 | 采用afm纳米压印图形衬底生长定位量子点的mbe方法 |
| RU2748938C1 (ru) * | 2020-02-21 | 2021-06-01 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Способ получения регулярных массивов квантовых точек |
| RU2815854C1 (ru) * | 2023-10-12 | 2024-03-22 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Способ создания регулярных симметричных наноразмерных углублений на поверхности полупроводниковой подложки |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Лахина Е. А. и др. ФОРМИРОВАНИЕ СИММЕТРИЧНЫХ НАНОУГЛУБЛЕНИЙ МЕТОДОМ ЛОКАЛЬНОГО КАПЕЛЬНОГО ТРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ОДИНОЧНЫХ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК //НАНОТЕХНОЛОГИИ. ИНФОРМАЦИЯ. РАДИОТЕХНИКА (НИР-23). - 2023. - С. 148-153. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2840638C1 (ru) * | 2024-12-17 | 2025-05-26 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Способ формирования низкоплотных массивов квантовых точек |
| RU2858612C1 (ru) * | 2025-12-05 | 2026-03-19 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Способ формирования интегрального источника одиночных фотонов |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE4006449C2 (de) | MOVPE-Verfahren zur Erzeugung einer Pufferschicht mit einer Mischung aus einkristallinem und amorphem Zustand | |
| KR101293333B1 (ko) | 장치 및 장치 제조 방법 | |
| US8003192B2 (en) | Nanodevice comprising a nanorod and method for manufacturing the same | |
| US7192802B2 (en) | ALD ZnO seed layer for deposition of ZnO nanostructures on a silicon substrate | |
| FR2578681A1 (fr) | Procede pour former une couche mince monocristalline d'element semi-conducteur | |
| US7303631B2 (en) | Selective growth of ZnO nanostructure using a patterned ALD ZnO seed layer | |
| JP6947746B2 (ja) | 複合ＧａＮナノカラムの製造方法 | |
| Eymery et al. | Self-organized and self-catalyst growth of semiconductor and metal wires by vapour phase epitaxy: GaN rods versus Cu whiskers | |
| KR100643083B1 (ko) | 산화아연 나노구조체 제조방법 및 이를 이용한 소자 | |
| FR2578680A1 (fr) | Procede pour former une couche mince monocristalline de compose semi-conducteur | |
| CN112186052A (zh) | 一种深紫外多波长msm窄带光电探测器及其制备方法 | |
| Liu et al. | Growth and in-plane undulations of GaAs/Ge superlattices on [001]-oriented Ge and GaAs substrates: formation of regular 3D island-in-network nanostructures | |
| RU2766832C1 (ru) | Способ независимого управления размерами полупроводниковых квантовых точек А3В5 | |
| CN1696358A (zh) | 制备纳米线的方法 | |
| KR101273702B1 (ko) | Ｐｔ촉매를 이용한 ＧａＮ 나노와이어의 성장방법 | |
| RU2711824C1 (ru) | Рост GaN нанотрубок, активированный легирующей примесью Si на подложках Si с тонким буферным слоем AlN | |
| Zhang et al. | Short‐pulse supersonic nozzle beam epitaxy: A new approach for submonolayer controlled growth | |
| RU2840638C1 (ru) | Способ формирования низкоплотных массивов квантовых точек | |
| CN111564539A (zh) | 氮化铝层叠构件以及发光器件 | |
| KR20130017685A (ko) | 대면적 나노임프린트 방법으로 패턴된 (111) 실리콘 기판위에 Ｖｏｌｍｅｒ―Ｗｅｂｅｒ 방법으로 성장한 ＩｎＧａＡｓ 나노선 | |
| EP1259978A2 (de) | VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR HERSTELLUNG VON GRUPPE-III-N, GRUP PE-III-V-N UND METALL-STICKSTOFF-BAUELEMENTSTRUKTUREN AUF Si-SUBSTRATEN | |
| Liu et al. | InxGa1− xAs/GaAs quantum wire structures grown on GaAs (100) patterned substrates with [001] ridges | |
| NAKAKOSHI et al. | growth mode occurs. Next, using these uniform pyramids, GaAs quantum dots are overgrown on the top of pyramids using different growth conditions. Sharp photoluminescence (PL) spectra are observed from uniform quantum dots. | |
| Tonkikh et al. | Properties of GaAs nanowhiskers grown on a GaAs (111) B surface using a combined technique | |
| RU236140U1 (ru) | Функциональный компонент светоизлучающего прибора зелёного спектрального диапазона |