Методы создания квантовых точек

ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ
В. А. КУЛЬБАЧИНСКИЙ
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

ВВЕДЕНИЕ

SEMICONDUCTOR QUANTUM DOTS
V. A. KULBACHINSKII

We describe the techniques to produce semiconductor quantum dots, structures containing 103–105 atoms, which, like atoms, have electron states with definite energy. Prospects of practical implementation of suchstructures in nanoscale electronic devices, e.g., lasers, single-electron transistors and memory cells, are discussed. Рассмотрены методы формирования полупроводниковых квантовых точек, представляющих собой структуры, состоящие из 103–105 атомов, в которых, как в атомах, имеются состояния электронов с определенной энергией. Обсуждаются возможности их практического применения в электронныхприборах: лазерах, одноэлектронных транзисторах, элементах памяти наноразмеров.

Полупроводниковые нанокристаллы, то есть кристаллы с очень маленькими (около 10–20 нм) размерами, получили в русскоязычной литературе название квантовых точек. Конечно, строго говоря, они не являются точками, но в настоящее время словосочетание “квантовые точки” уже стало термином. Квантовыми их назвали потому, что при столь малыхразмерах в них проявляются квантовые, то есть дискретные, свойства электронов. Физические свойства кристаллов сверхмалых размеров могут принципиально отличаться от массивных кристаллов, например вещество с металлическими свойствами только за счет уменьшения размеров может перейти в диэлектрическое состояние. Поскольку в последние годы разработаны методы, позволяющие получать нанокристаллы многихвеществ, то интерес к ним существует уже не только теоретический, но и практический. К тому же совсем недавно была показана принципиальная возможность создания приборов на основе нанокристаллов, например лазеров или элементов памяти наноразмеров с параметрами лучшими, чем у существующих в настоящее время. Все это еще больше усилило интерес к кристаллам сверхмалых размеров. В статье рассмотрены основныеметоды получения и возможности практического применения полупроводниковых квантовых точек, которые можно назвать искусственными атомами. РАЗМЕРНОЕ КВАНТОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОНОВ Энергию свободного электрона можно записать в виде

© Кульбачинский В.А., 2001

2 m0 V p -, E = ----------- = -------2 2m 0

2

(1)

www.issep.rssi.ru

где V – скорость электрона, p – его импульс, а m0 –масса. Свободный электрон, согласно этой формуле, может иметь любую энергию. В кристаллическом твердом теле периодический потенциал решетки приводит к тому, что возникают запрещенные интервалы энергии, то есть получается так называемая зонная структура. Запрещенный интервал энергии называется запрещенной

98

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 4 , 2 0 0 1ФИЗИКА
зоной, она разделяет валентную зону и зону проводимости. Для описания свойств электронов в кристаллах используется не обычная классическая физика, а квантовая. В квантовой физике каждой частице ставится в соответствие волна, называемая волной де Бройля, с частотой E ν = -p и длиной волны h λ = -p (3) (2) dN g = ------ . dE Плотность состояний двумерных электронов dN m g ( E ) = ------ = -------dEπ 2 (7) (6)

(h – постоянная Планка). Для электрона в металлах длина волны де Бройля λ ≈ 1 нм, а в полупроводниках λ ≈ 100 нм. Если по одному из направлений движение электрона ограничено (например, в тонкой фольге толщиной d ) и d < λ, то возникает так называемое размерное квантование: энергия электрона может принимать только вполне определенные значения
2 2 2 pn π n E n = ------ =--------------- , 2 2m 2md 2

и не зависит от энергии [1]. В структуре с двумерными электронами можно изготовить одномерные каналы, называемые обычно квантовыми нитями, в которых электрон может двигаться только вдоль одного направления. При ограничении и этого направления получаются так называемые квантовые точки, то есть область полупроводника с обычным размером 5–20 нм по всем трем...