RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Nucleazione spazialmente controllata di punti quantici per emettitori a singolo fotone

Università di riferimento

Università degli Studi di ROMA "Tor Vergata" - FISICA - ROMA(RM)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Adalberto BALZAROTTI

Descrizione

L'attività di ricerca dell'Unità operativa di Roma Tor Vergata è incentrata, da oltre un decennio, sullo studio delle superfici dei semiconduttori realizzate per crescita epitassiale e sulle nanostrutture, in particolare QDs di InAs su GaAs(001) e di Ge su Ge/Si(111) e (001)[1]. Il nostro gruppo dispone di una camera di crescita epitassiale di semiconduttori III-V (MBE- RIBER 32R) collegata in ultra alto vuoto con due camere di analisi per le spettroscopie di fotoemissione ultravioletta(UV) ed a raggi X (XPS) e per la spettroscopia ad alta risoluzione di perdita di energia degli elettroni (HREELS). I nanosistemi a base Ge/Si sono realizzati in una seconda camera fornita di un microscopio STM-AFM da ultra-alto-vuoto e a temperatura variabile (Omicron), dove vi è la possibilità di monitorare la superficie del campione in fase di deposizione epitassica di Si e Ge da celle di Knudsen. Le acquisizioni sperimentali più recenti sono un microscopio AFM in aria per l'analisi strutturale con risoluzione su scala nanometrica ed una piccola camera da trasporto in ultra-alto vuoto in grado di prelevare i campioni dalla macchina MBE e trasferirli al microscopio STM/AFM per l'analisi delle strutture con risoluzione atomica.
Abbiamo studiato in dettaglio molti aspetti di base connessi alla eteroepitassia di InAs su GaAs(001) sia nella fase iniziale bidimensionale (wetting layer) che nella fase di transizione dalla crescita bidimensionale (2D) a quella tridimensionale (3D). Sono stati evidenziati processi microscopici e parametri fisici che influenzano la transizione 2D-3D e l'ordinamento dei QDs, quali la formazione all'interfaccia di una lega InGaAs con ricostruzione superficiale, la segregazione in superficie dell'indio, l'effetto della temperatura sul valore del ricoprimento critico per la transizione 2D-3D, la formazione di difetti puntuali e strutture su scala mesoscopica dovute ad instabilità cinetiche della crescita [1-5]. Si è visto che questi fattori introducono anisotropie nella diffusione degli adatomi e centri di nucleazione che rendono difficile il controllo accurato della dimensione e della posizione dei dots sulla superficie nella aggregazione spontanea di tipo Stranski-Krastanov. Il controllo accurato della nucleazione è, invece, un obiettivo essenziale per realizzare con la tecnica MBE i dispositivi più avanzati basati sul singolo QD. Questo obiettivo, ad oggi, non è stato ancora conseguito.
Come naturale sviluppo della ricerca fin qui svolta e con le competenze acquisite in questo campo, intendiamo in questo progetto affrontare il problema della crescita di QDs di InAs su substrati opportunamente pre-strutturati di GaAs(001) al fine di ottenere la nucleazione selettiva di singoli QDs luminescenti in regioni dell'ordine delle centinaia di nanometri. Le aree di nucleazione verranno definite da una maschera di SiO2 depositata sul GaAs e litografata con fascio elettronico. Tra i vari metodi possibili per selezionare aree del substrato, il metodo proposto è quello di maggior interesse per una vasta gamma di nano-dispositivi tra cui i LED a singolo emettitore. Lo schema è, infatti, quello previsto nella nucleazione del QD all'interno di una microcavità per l'accoppiamento fra gli stati elettronici del QD ed i modi del campo elettromagnetico [6]. La presenza del SiO2 consente di pilotare elettricamente la sorgente a singolo fotone aumentando in modo significativo l'efficienza di emissione [7, 8]. Il vantaggio principale dello schema proposto deriva dal fatto che, in opportune condizioni, è possibile inibire la crescita di GaAs e InAs sul SiO2 [9,10]; ed è proprio su questo punto che si basa la possibilità di isolare i singoli emettitori. L'idea è che, depositando InAs sul GaAs attraverso i microfori della maschera di SiO2, si abbia la nucleazione e la crescita dei dots solo nelle aree esposte di GaAs.
E' stato fatto uno studio di fattibilità del progetto, in collaborazione con l'Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del CNR (IFN-CNR), per verificare preliminarmente la compatibilita' tra le procedure (temperature, attacchi chimici per la rimozione del SiO2, ecc.) necessarie per la realizzazione dei microfori e quelle per la successiva ricrescita per MBE del film di GaAs, prima della deposizione di InAs. E' stata eseguita una caratterizzazione strutturale dettagliata dei sistemi realizzati mediante microscopia a forza atomica, AFM. I risultati ottenuti sono promettenti e costituiscono una solida base di partenza per questo progetto di ricerca.
Si intende procedere come segue:
1) si ottimizzerà il protocollo per la fabbricazione dei microfori in SiO2 su GaAs sia per quanto concerne il tipo di attacco chimico che lo spessore del biossido di silicio. Infatti, i risultati preliminari hanno mostrato che la rimozione dell'ossido con la tecnica del reactive ion etching (RIE) fa aumentare la rugosità della superficie di un ordine di grandezza per i residui di ossido e/o di contaminanti introdotti dalla tecnica RIE. Il film di ossido è stato anche attaccato chimicamente con l'usuale procedimento che precede la crescita epitassiale di GaAs. La ricrescita di GaAs su un film esteso di SiO2 mostra la formazione di uno strato amorfo di GaAs con alta rugosità, circa 20nm. Si è infine realizzata una crescita di InAs su un substrato di GaAs ricoperto per metà da SiO2 ottenendo la nucleazione dei QDs di InAs sul solo GaAs. Si noti, infatti, nelle immagini AFM mostrate in figura, la presenza di QDs di InAs sul GaAs (a destra del gradino) e non sul SiO2 (a sinistra del gradino).



2) si determinerà il profilo ottimale della maschera di SiO2 per quanto riguarda dimensione forma e distanza dei fori avvalendosi inizialmente di indicazioni presenti in letteratura su sistemi analoghi fabbricati con MOCVD [11]. La distanza dei fori dovrà essere inferiore alla lunghezza di migrazione del Ga e In sul SiO2 nelle particolari condizioni di crescita. La formazione di GaAs di qualità epitassica all'interno dei microfori è già un risultato sperimentale impegnativo.
3) Si individueranno le condizioni per avere la nucleazione di QD di InAs all'interno dei microfori. Questo obiettivo dipenderà criticamente dalla ottimizzazione del buffer all'interno dei microfori. Ci si aspetta la formazione di strutture a piramide troncata in con base superiore di tipo (001) e facce laterali di tipo (311)B che dovrebbero favorire la nucleazione sulla sola base superiore della piramide . Altre strategie per la nucleazione dei dot all'interno dei microfori potranno essere adottate, se necessario. Tutte le strutture realizzate verranno caratterizzate, su larga scala, con la microscopia AFM, mentre si utilizzerà la microscopia tunnel a scansione, STM, per i dettagli su scala atomica.
Per le fasi 2) e 3) ci si aspetta un contributo significativo da parte della Unità operativa di Modena per gli studi teorici e simulazioni del processo di diffusione di Ga e In su diversi substrati, e da parte della Unità operativa di Firenze per la caratterizzazione spettrale di microluminescenza dei dots all'interno dei fori ed , eventualmente, nella configurazione di QDs in microcavità che potrebbe venire realizzata nell'ambito della collaborazione con il Politecnico di Losanna.

1. F.Patella, A. Sgarlata, F. Arciprete, S. Nufris, P.D. Szkutnik, E. Placidi, M. Fanfoni, N. Motta, A. Balzarotti, J. Phys. Condens. Matter 16, S1503 (2004).
2. F.Patella, M. Fanfoni, F. Arciprete, S. Nufris, E. Placidi, A. Balzarotti, Appl.Phys.Lett. 78 320 (2001).
3. F. Arciprete, A. Balzarotti,. M. Fanfoni, N. Motta, F. Patella, A. Sgarlata, Recent Res. Dev. Vacuum Sci. Technol. 3, 71 (2001).
4. F.Patella, S. Nufris, F. Arciprete, M. Fanfoni, E. Placidi, A. Sgarlata, A. Balzarotti, Phys. Rev. B 67, 205308 (2003).
5. F.Patella, F. Arciprete, E. Placidi, S. Nufris, M. Fanfoni, A. Sagrlata, D. Schiumarini, A. Balzarotti, Appl. Phys. Lett. 81, 2270 (2002).
6. M. Pelton, C. Santori, J. Vuckovic, B. Zhang, G.S. Solomon, J. Plant, and Y. Yamamoto, Phys. Rev. Lett., 89, 233602 (2002).
7. C. Santori, D. Fattal, J. Vuckovic, G.S. Solomon, and Y. Yamamoto, Nature, 419, 594 (2002).
8. T. Yoshie, A. Scherer, J. Hendrickson, G. Khitrova, H.M. Gibbs, G. Rupper, C. Ell, O.B. Shchekin, and D.G. Deppe, Nature, 432, 200 (2004).
9. S.C. Lee, K.J. Malloy, S.R.J. Brueck, J. Appl. Phys. 90, 4163 (2001).
10. S.C. Lee, L.R. Dawson, K.J. Malloy, S.R.J. Brueck, , Appl. Phys. Lett. 79, 2630 (2001).
11. S.C. Lee, A. Stintz, S.R.J. Brueck, J. Appl. Phys. 91, 3282 (2002).