Способ обнаружения квантовых точек и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2493631:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" (RU)
Изобретение относится к области диагностики полупроводниковых структур нанометрового размера и может быть использовано для обнаружения и классификации квантовых точек. Сущность изобретения: в способе обнаружения квантовых точек, расположенных на диагностируемом образце, образец пошагово сканируют по координатам XY с помощью электропроводящей нанометрового размера иглы с пикосекундным разрешением и производят анализ электродинамических характеристик. Анализ осуществляется следующим образом: электрически воздействуют стимулирующим прямоугольным импульсом на полупроводниковую квантовую точку, принимают аналоговый сигнал отклика, преобразуют его в дискретный сигнал, выделяют информационную часть отклика, идентифицируют ее на принадлежность заданному классу разброса динамических характеристик, осуществляют запоминание координат XY в память и выполняют отображение топологий обнаруженных квантовых точек с параметрами, входящими в заданные допусковые зоны. Изобретение обеспечивает повышение достоверности обнаружения квантовых точек. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области диагностики полупроводниковых структур нанометрового размера и может быть использовано для обнаружения и классификации полупроводниковых квантовых точек при проведении исследований свойств новых материалов, анализе компоновки топологий, состоящих из нескольких квантовых точек, и оперативной разбраковки по допусковым зонам параметров структур с квантовыми точками при их промышленном производстве.
Полупроводниковые квантовые точки также используются для создания полупроводниковых лазеров, элементов вычислительной техники, излучателей одиночных фотонов, наносенсоров, источников света нанометрового размера, а также маркеров в биологии и медицине [1, 2].
Полупроводниковые квантовые точки разделяются на точки с излучательной и безызлучательной релаксацией в зависимости от заданного спектра и времени флуоресценции (в среднем 1-10 наносекунд), материала, технологии изготовления и функционального назначения. Кроме того, дефекты изготовления квантовых точек приводят к разбросу параметров, падению квантового выхода люминесценции в видимом диапазоне, образованию квантовых точек с безызлучательной релаксацией или излучательной, но отличающейся по спектру излучения [1].
Известны оптические [3, 4] и электроизмерительные контактные [5, 6] методы анализа характеристик полупроводниковых квантовых точек.
Оптические методы исследования [3, 4] позволяют исследовать только процессы в оптическом диапазоне частот, в тоже время для многих квантовых точек релаксация может быть также и безызлучательной - проходить через колебания или столкновения, что быстро приводит к нагреву или изменению спектра излучения, например, его смещению в более длинноволновую область.
Известно техническое решение [4], в соответствии с которым, обнаружение квантовых точек построено на принципах импульсного оптического возбуждения квантовой точки с последующим анализом свойств фотонов, выпущенных с диагностируемой квантовой точки, во время осуществления ею флуоресценции после прекращения действия импульса возбуждения. Недостатком данного технического решения является отсутствие возможностей обнаружения безызлучательных или дефектных квантовых точек, осуществления их классификации и определения координат расположения квантовых точек относительно друг друга.
Известно техническое решение, представляющее метод емкостной диагностики полупроводниковых наноструктур с самоорганизующимися квантовыми точками [5], в соответствии с которым осуществляют температурное сканирование проводимости образца при различных частотах со тестового сигнала, обеспечивая тем самым разные динамические условия эмиссии носителей с глубокого уровня или массива квантовых точек. Далее строят график Аррениуса в координатах ω=f(1/T). Для температурных максимумов спектров проводимости определяют энергию активации, которая характеризует положение энергетических уровней размерного квантования в полупроводниковых квантовых точках.
Недостатком данного технического решения является применение его только для получения усредненных результатов при анализе массива квантовых точек, отсутствие возможности определения координат одной квантовой точки и ее расположения относительно другой, проведение дополнительных вычислений и построение графиков для идентификации отдельных квантовых точек.
Известно техническое решение [6] в соответствии с которым исследование квантовых точек осуществляется следующим образом: с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) посредством иглы-зонда осуществляется контакт с исследуемой планарной структурой, туннельный ток измеряется в зависимости от напряжения, приложенного между острием иглы СТМ и контактами на границах исследуемой структуры. В результате происходит снятие I=f(Utunn) локальной вольт - амперной характеристики поверхности находящейся под иглой с последующей идентификацией квантовых точек с характерными размерами от 2 до 8 нм.
Недостатком данного технического решения является: отсутствие возможности определить динамические свойства квантовых точек и провести их разбраковку по динамическим характеристикам, низкое быстродействие способа вследствие того, что для каждой точки, для ее идентификации следует строить вольт - амперную характеристику и осуществлять в последствии распознавание каждого образа на принадлежность его к квантовой точке.
Известно техническое решение [7], представляющее устройство и метод сканирующей емкостной микроскопии и спектроскопии, в соответствии с которым измеряют электрическую емкость между проводящей иглой сканирующего зондового микроскопа (зондом атомно-силового микроскопа) и поверхностью исследуемого полупроводникового образца. Сканируют иглой поверхность по координатам XY. Рассчитывают емкость для каждого множества областей на образце на основании анализа изменения амплитуды и фазы возбуждающего высокочастотного сигнала и в последствии осуществляют отображение результатов вычислений. Устройство для осуществления этого способа содержит: образец с проводящей подложкой, кантилевер с зондом в виде электропроводящей с высокочастотным разрешением иглы, соединенной через коаксиальный кабель с векторным анализатором цепей, позиционер кантилевера по координате Z, позиционеры для сканирования по координатам XY, контроллер атомно-силового микроскопа, соединенный через последовательный порт с персональным компьютером.
Данное техническое решение является наиболее близким аналогом из числа известных и принято за прототип.
Недостатком данного технического решения является отсутствие возможности определения динамических свойств полупроводниковой квантовой точки и проведение разбраковки по динамическим характеристикам; низкое быстродействие способа вследствие того, что для каждой исследуемой точки при ее идентификации следует проводить анализ модуля и фазы сигнала и пересчитывать их в значение емкости между зондом и образцом, не позволяет достоверно обнаружить квантовую точку; отсутствие возможности осуществлять классификацию полупроводниковых квантовых точек на принадлежность их к заданному классу; отсутствие возможности отображения распределения координат отдельных идентифицированных полупроводниковых квантовых точек относительно друг друга.
Технической задачей является повышение достоверности обнаружения полупроводниковых квантовых точек и отображение их топологии в зависимости от принадлежности к определенному классу разброса электродинамических параметров.
Техническая задача решается тем что, производят электрическое соединение электропроводящей нанометрового размера иглы с пикосекундным разрешением с поверхностью диагностируемого образца с квантовыми точками, по координате Z и последовательно по шагам с интервалом равным минимальному диаметру квантовой точки, сканируют образец с квантовыми точками по координатам XY, формируют сигнал управления позиционированием электропроводящей нанометрового размера иглой с пикосекундным разрешением по координатам XYZ, и синхронно выбирают адреса для запоминания и индикации координат XY вероятной полупроводниковой квантовой точки, по заднему фронту сигнала управления позиционированием по координатам XYZ, формируют стимулирующий сигнал в виде прямоугольного электрического импульса длительностью не менее удвоенного времени флуоресценции материала диагностируемой полупроводниковой квантовой точки и амплитудой, достаточной для наблюдения ее релаксации, воздействуют сформированным электрическим импульсом прямоугольной формы через электропроводящею иглу на диагностируемую поверхность образца с полупроводниковыми квантовыми точками, принимают и усиливают аналоговый сигнал отклика, прошедший через диагностируемый образец с полупроводниковыми квантовыми точками, с помощью компарирования преобразуют аналоговый сигнал отклика в дискретный сигнал отклика, одновременно по заднему фронту стимулирующего сигнала формируют сигнал задержки сигнала открытия окна временного сравнения, по заднему фронту сигнала задержки сигнала открытия окна временного сравнения, формируют сигнал открытия окна временного сравнения, выделяют из длительности дискретного сигнала отклика информационную часть длительности сигнала отклика, временным сравнением длительности дискретного сигнала отклика, с сигналом открытия окна временного сравнения, при совпадении сигналов по времени производят формирование сигнала «Запись» координат XY обнаруженной полупроводниковой квантовой точки, при условии вхождения длительности информационной части сигнала отклика в допусковую зону временного окна установленного для идентификации полупроводниковой квантовой точки на принадлежность заданному допусковому классу, производят запоминание и отображение координат XY обнаруженной полупроводниковой квантовой точки, по заднему фронту сигнала открытия окна временного сравнения, закрывают окно, отменяют выполнение временного сравнения и формируют следующий сигнал управления позиционированием координат XY, для поиска и идентификации, следующей полупроводниковой квантовой точки, перемещают координатный стол на один шаг.
Сущность способа заключается в том, что для обнаружения полупроводниковых квантовых точек расположенных на диагностируемом образце, его пошагово сканируют по координатам XY с помощью электропроводящей нанометрового размера иглы с пикосекундным разрешением, которую периодически прижимают по координате Z, к диагностируемому образцу с полупроводниковыми квантовыми точками, осуществляют анализ электродинамических характеристик, отводят иглу и переходят на следующею позицию, повторяя данную последовательность действий, причем временной интервал анализа электродинамических характеристик состоит из следующих последовательностей действий: электрически воздействуют стимулирующим прямоугольным импульсом на полупроводниковую квантовую точку, принимают аналоговый сигнал отклика, преобразуют его в дискретный сигнал, выделяют информационную часть отклика, идентифицируют ее на принадлежность к заданному классу разброса динамических характеристик, осуществляют запоминание координат XY в память и выполняют отображение топологий обнаруженных квантовых точек с параметрами, входящими в заданные допусковые зоны.
Отличительными признаками предлагаемого способа является следующая последовательность действий. Формируют сигнал управления позиционированием электропроводящей нанометрового размера иглой с пикосекундным разрешением по координатам XYZ, и синхронно выбирают адреса для запоминания и индикации координат вероятной полупроводниковой квантовой точки, что, позволило осуществить синхронно параллельный доступ к адресным шинам при позиционировании, при запоминании и при индикации, для осуществления параллельной записи координат полупроводниковой квантовой точки с максимальным быстродействием, без дополнительного преобразования координат при переходе с растрового сканирования на спиральное сканирование с постоянной скоростью, что в свою очередь позволило исключить ошибки при преобразовании координат XY.
Выполнение последовательности действий, при которых по заднему фронту сигнала управления позиционированием координат XYZ формируют стимулирующий сигнал в виде прямоугольного электрического импульса длительностью не менее удвоенного времени флуоресценции материала диагностируемой полупроводниковой квантовой точки и амплитудой, достаточной для наблюдения ее релаксации, воздействуют сформированным электрическим импульсом через иглу с пикосекундным разрешением на диагностируемую поверхность образца с полупроводниковыми квантовыми точками, что позволило осуществить возбуждение квантовых точек, как с излучательной так и с безызлучательной релаксацией.
Выполнение последовательности действий, при которых принимают и усиливают аналоговый сигнал отклика, прошедший через диагностируемый образец с полупроводниковыми квантовыми точками, с помощью компарирования преобразуют аналоговый сигнал отклика в дискретный сигнал отклика, что позволило преобразовать аналоговый сигнал в дискретный с наибольшим быстродействием, что в сою очередь позволило идентифицировать квантовую точку с малым временем флуоресценции и увеличить точность сортировки их по параметрам при анализе их принадлежности к определенному допусковому классу.
Выполнение последовательности действий, при которых одновременно по заднему фронту стимулирующего сигнала формируют сигнал задержки сигнала открытия окна временного сравнения, по заднему фронту сигнала задержки сигнала открытия окна временного сравнения, формируют сигнал открытия окна временного сравнения, выделяют из длительности дискретного сигнала отклика информационную часть длительности сигнала отклика, временным сравнением длительности дискретного сигнала отклика с сигналом открытия окна временного сравнения, что позволило осуществить формирование временного интервала (допускового временного окна для распознавания класса полупроводниковой квантовой точки), расширяя его или сужая и перемещая его относительно заднего фронта стимулирующего импульса, осуществляется регулирование допусковой зоны для идентификации того или иного класса полупроводниковых квантовых точек, в котором с наибольшей вероятностью появляются сигналы отклики что в свою очередь позволяет с большей точностью проводить идентификацию заданного класса квантовых точек, анализируя их динамические характеристики.
Выполнение последовательности действий, при которых при совпадении сигналов по времени производят формирование сигнала «Запись» координат XY обнаруженной полупроводниковой квантовой точки, при условии вхождения длительности информационной части сигнала отклика в допусковую зону временного окна, установленного для идентификации полупроводниковой квантовой точки на принадлежность заданному допусковому классу, производят запоминание и отображение координат XY обнаруженной полупроводниковой квантовой точки, что позволяет сократить время записи координат XY, так как запись осуществляется по ужу заранее выбранному адресу без дополнительного преобразования адресных кодов, осуществить запись координат при условии вхождения динамических характеристик квантовых точек в заданные допусковые рамки и осуществить индикацию координат XY только бездефектных квантовых точек и осуществить их разбраковку по принципу «годен-негоден».
Выполнение последовательности действий, при которых по заднему фронту сигнала открытия окна временного сравнения закрывают окно, отменяют выполнение временного сравнения и формируют следующий сигнал управления позиционированием координат XY для поиска и идентификации следующей полупроводниковой квантовой точки, перемещая координатный стол на один шаг, что позволило исключить запись координат XY всех квантовых точек, электродинамические характеристики которых не входят в допусковую зону, и сразу перейти к обнаружению следующих квантовых точек.
На Фиг.1 представлена блок-схема устройства, реализующего предложенный способ обнаружения квантовых точек. На Фиг.2 представлены временные диаграммы, поясняющие выполнение операций способа. На Фиг.3 представлены временные диаграммы, поясняющие работу устройства.
На Фиг.2 представлены временные диаграммы, поясняющие операции способа, где временные диаграммы представлены в виде двух возможных вариантов результатов поиска полупроводниковой квантовой точки (1-ый вариант - в левой части; 2-ой вариант - в правой части). В 1-ом и во 2-ом вариантах - длительность информационных частей откликов τ1 и τn отличаются друг от друга, но входят в временной интервал окна допусковой зоны Т4 (выполняется соотношения Т3<τ1<Т4 и Т3<τn<Т4) координаты X1, Y1 и Xn, Yn (n - номер) идентифицируются как местоположение обнаруженных полупроводниковых квантовых точек, координаты XY записываются в блок 14 памяти. На Фиг.2 представлены следующие эпюры:
A) формируют сигнал (длительностью Т1) управления позиционированием электропроводящей нанометрового размера иглой с пикосекундным разрешением по координатам XYZ и синхронно выбирают адреса для запоминания и индикации координат XY вероятной полупроводниковой квантовой точки;
Б) по заднему фронту сигнала управления позиционированием по координатам XYZ формируют стимулирующий сигнал (длительностью Т2) в виде прямоугольного электрического импульса длительностью не менее удвоенного времени флуоресценции материала диагностируемой квантовой точки и амплитудой, достаточной для наблюдения ее релаксации, воздействуют сформированным электрическим импульсом прямоугольной формы через электропроводящею иглу на диагностируемую поверхность образца с полупроводниковыми квантовыми точками;
B) принимают и усиливают аналоговый сигнал отклика, прошедший через диагностируемый образец с полупроводниковыми квантовыми точками;
Г) с помощью компарирования преобразуют аналоговый сигнал отклика в дискретный сигнал отклика;
Д) одновременно по заднему фронту стимулирующего сигнала формируют сигнал задержки (длительностью Т3) сигнала окна временного сравнения;
Ж) по заднему фронту сигнала задержки (Т3) открытия окна временного сравнения формируют сигнал открытия окна временного сравнения (длительностью Т4); по заднему фронту сигнала окна временного сравнения (Т4) отменяют временное сравнение и формируют следующий управляющий сигнал позиционирования для поиска и идентификации следующей квантовой точки, перемещая координатный стол на один шаг;
З) выделяют из длительности сигнала отклика информационную часть длительности сигнала отклика (τ1 для левой и τn для правой части временной диаграммы) временным сравнением длительности дискретного входного сигнала отклика с сигналом открытия окна временного окна сравнения (Т4) (задержанного на интервал (Т3) относительно стимулирующего сигнала (Т2));
И) при совпадении сигналов по времени производят формирование сигнала «Запись» координат XY обнаруженной полупроводниковой квантовой точки;
К) при условии вхождения длительности информационной части сигнала отклика в допусковую зону временного окна, установленного для идентификации квантовой точки на принадлежность заданному допусковому классу, производят запоминание и отображение координат XY обнаруженной полупроводниковой квантовой точки.
Для достижения технического результата, заключающегося в повышении достоверности обнаружения квантовых точек и реализации предложенного способа в устройство, содержащие формирователь адреса сканирования по координатам XY, позиционер иглы по координате Z, электропроводящую нанометрового размера иглу с пикосекундным разрешением, координатный стол с позиционерами по координатам XY, диагностируемый образец с полупроводниковыми квантовыми точками первый, второй, третий, четвертый программируемые одновибраторы, программируемый усилитель, компаратор, первый и второй элементы И, одновибратор, блок памяти, блок индикации координат XY обнаруженных полупроводниковых квантовых точек, причем выход первого программируемого одновибратора соединен с управляющим входом формирователя адресов сканирования по координатам XY, с входом позиционера иглы по координате Z и входом второго программируемого одновибратора, выход которого соединен с диагностируемым образцом с квантовыми точками через токопроводящую нанометрового размера иглу и входом третьего программируемого одновибратора, выход которого соединен с входом четвертого программируемого одновибратора, выход которого соединен с управляющим входом первого программируемого одновибратора и первыми входами второго и первого элемента И, причем второй вход первого элемента И соединен с выходом компаратора, вход которого соединен с выходом программируемого усилителя, вход которого соединен с проводящей подложкой диагностируемого образца с полупроводниковыми квантовыми точками, а выход первого элемента И соединен с управляющим входом одновибратора, выход которого соединен со вторым входом второго элемента И, выход которого соединен с входом «Запись» блока памяти, выход которого соединен с информационным входом блока индикации координат XY обнаруженных полупроводниковых квантовых точек, адресные шины XY блока индикации и блока памяти соединены соответственно с адресными выходами XY формирователя адреса сканирования, а установочный вход первого программируемого одновибратора соединен с сигналом «Пуск».
Отличительными признаками предлагаемого устройства является введение первого 5 и второго 6 программируемых одновибраторов, что позволило осуществить выполнение последовательности действий, при которых по заднему фронту сигнала управления позиционированием координат XYZ формируется стимулирующий сигнал в виде прямоугольного электрического импульса и воздействие сформированным электрическим импульсом через иглу 3 с пикосекундным разрешением на диагностируемую поверхность образца 16 с полупроводниковыми квантовыми точками, что позволило осуществить возбуждение квантовых точек как с излучательной, так и с безызлучательной релаксацией.
Введение третьего 7 программируемого одновибратора, соединенного последовательно с четвертым 8 программируемым одновибратором, позволило осуществить формирование временного интервала (допускового временного окна) для распознавания класса полупроводниковой квантовой точки. Возможность осуществления гибкого изменения временного интервала расширением его или сужением и перемещением относительно заднего фронта стимулирующего импульса позволяет регулировать допусковые зоны для идентификации того или иного класса полупроводниковых квантовых точек, в котором с наибольшей вероятностью появляются сигналы отклики, что позволяет с большей достоверностью проводить идентификацию заданного класса полупроводниковых квантовых точек при анализе их динамических характеристик.
Введение программируемого 9 усилителя и компаратора 10 позволило преобразовать аналоговый сигнал в дискретный с наибольшим быстродействием и сокращением избыточной информации.
Введение первого 11 элемента И позволило осуществить выделение информационной части отклика для идентификации класса полупроводниковой квантовой точки.
Введение одновибратора 13 позволило сформировать стабильный сигнал записи данных в независимости от величины длительности отклика, соответствующего тому или иному классу квантовых точек, для устойчивой записи информации в блок 14 памяти.
Введение второго 12 элемента И позволило исключить запись координат полупроводниковой квантовой точки с параметрами, не вошедшими в допусковый интервал, определяемый окном ожидания информационной части отклика.
Введение блока 14 памяти соединенного с адресными шинами формирователя 1 координат XY позволяет без преобразования координат осуществить сканирование при переходе с линейной скоростью на нелинейную и запись координат полупроводниковых квантовых точек, непосредственно находящихся под электропроводной иглой, независимо от последовательности перемещения иглы при сканировании (по прямой или по спирали).
Введение блока индикации 15 координат XY обнаруженных полупроводниковых квантовых точек с параллельным доступом позволило исключить процедуру преобразования координат при отображении полупроводниковой квантовой точки.
Введение всех перечисленных блоков с их связями позволяет провести обнаружение и классификацию полупроводниковых квантовых точек, как в однослойных, так и многослойных наноструктурах при топологической композиции квантовых точек из разных материалов и с разным временем флуоресценции.
Устройство (Фиг.1), реализующее способ обнаружения квантовых точек, содержит формирователь 1 адреса сканирования по координатам XY, позиционер 2 иглы по координате Z, электропроводящую нанометрового размера иглу 3 с пикосекундным разрешением, координатный 4 стол с позиционерами по координатам XY, первый 5, второй 6, третий 7, четвертый 8 программируемые одновибраторы, программируемый 9 усилитель, компаратор 10, первый 11 и второй 12 элементы И, одновибратор 13, блок 14 памяти, блок индикации 15 координат XY обнаруженных полупроводниковых квантовых точек, диагностируемый образец 16 с полупроводниковыми квантовыми точками.
На Фиг.1 также приведены сигналы «Пуск» и «Запись». Установочный сигнал «Пуск» служит для начального включения устройства, осуществляет начальный запуск первого 5 программируемого одновибратора. Дальнейшая работа по поиску и обнаружению полупроводниковых квантовых точек происходит автоматически. Сигнал «Запись» служит для записи координат XY обнаруженной квантовой точки в блок 14 памяти.
Усилитель 9 может быть реализован на базе микросхемы HMC625LP5 (6- разрядный цифровой усилитель с полосой пропускания до 6 ГГц, с регулированным усилением, с параллельным и последовательным доступом программирования коэффициента усиления) компании Hittite Micro-ware и конструктивно расположен в непосредственной близости от диагностируемого образца с целью повышения помехоустойчивости. Компоратор 10 может быть реализован на микросхеме ADSM 572 компании ANALOG DEVICES с быстродействием 8 ГГц и временем задержки прохождения сигнала не более 170 пикосекунд или на компараторе HMC874LC3C компании Hittite Microware с быстродействием 20 ГГц и временем задержки прохождения сигнала не более 120 пикосекунд. Одновибраторы (5, 6, 7, 8, 13) и элементы И (11, 12) могут быть реализованы на цифровых серийных микросхемам с рабочей частотой до 13 ГГц и временем нарастания и спада сигнала 18-17 пикосекунд, той же компании Hittite Microware (www.hittite.com). Блок 14 памяти реализован на типовой перепрограммируемой (EEPROM) микросхеме памяти, блок 15 индикации обнаруженных полупроводниковых квантовых точек реализован на типовом матричном жидкокристаллическом индикаторе.
Выход первого 5 программируемого одновибратора соединен с управляющим входом формирователя 1 адресов сканирования по координатам XY, с входом позиционера 2 иглы по координате Z и входом второго 6 программируемого одновибратора, выход которого соединен с диагностируемым образцом 16 с квантовыми точками через токопроводящею нанометрового размера иглу 3 и входом третьего 7 программируемого одновибратора, выход которого соединен с входом четвертого 8 программируемого одновибратора, выход которого соединен с управляющим входом первого 5 программируемого одновибратора и первыми входами второго 12 и первого 11 элемента И, причем второй вход первого 11 элемента И соединен с выходом компаратора 10, вход которого соединен с выходом программируемого 9 усилителя, вход которого соединен с проводящей подложкой диагностируемого образца 16 с полупроводниковыми квантовыми точками, а выход первого 11 элемента И соединен с управляющим входом одновибратора 13, выход которого соединен со вторым входом второго 12 элемента И, выход которого соединен с входом «Запись» блока 14 памяти, выход которого соединен с информационным входом блока индикации 15 координат XY обнаруженных полупроводниковых квантовых точек, адресные шины XY блока индикации 15 обнаруженных полупроводниковых квантовых точек и блока 14 памяти соединены соответственно с адресными выходами XY формирователя адреса 1 сканирования, а установочный вход первого 5 программируемого одновибратора соединен с сигналом «Пуск».
Устройство работает следующим образом: перед началом работы для осуществления идентификации характеристик полупроводниковых квантовых точек, входящих в заданный допусковый класс электродинамических параметров, производят программирование установкой кодовых последовательностей для преобразования двоичного кода в длительность импульсов для программируемых (5, 6, 7, 8) одновибраторов и двоичного кода в соответствующий коэффициент усиления для программируемого 9 усилителя в следующей последовательности:
- в первый 5 программируемый одновибратор вводится двоичный код величины длительности Т1, которая определяется быстродействием позиционера координатного стола 4 для пошагового перехода с одной точки на другую при растровом или спиральном сканировании диагностируемого образца 16 с полупроводниковыми квантовыми точками;
- во второй 6 программируемый одновибратор вводится двоичный код величины длительности Т2 которая должна быть не менее удвоенного времени флуоресценции материала диагностируемого класса полупроводниковых квантовых точек и амплитудой, достаточной для наблюдения ее релаксации;
- в третий 7 программируемый одновибратор вводится двоичный код временного интервала Т3, времени задержки для смещения временного окна при выделении информационной части отклика относительно заднего фронта стимулирующего импульса, выдаваемого с выхода второго 6 программируемого одновибратора;
- в четвертый 8 программируемый одновибратор вводится двоичный код максимального допускового временного интервала Т4, равный длительности временного окна для осуществления идентификации полупроводниковой квантовой точки по длительности информационной части сигналов откликов, входящих в выбранный допусковый класс;
- в программируемый 9 усилитель вводится двоичный код, задающий коэффициент усиления в зависимости от полупроводникового материала квантовой точки и амплитуды стимулирующего импульса, поступающего на диагностируемую квантовую точку с выхода второго 6 программируемого одновибратора.
Пуск устройства осуществляется следующим образом: сигнал «Пуск» подается на установочный вход первого 5 программируемого одновибратора на выходе которого формируется импульсный сигнал (длительностью Т1), который поступает на вход позиционера 2 иглы по координате Z, прижимая электропроводящую иглу 3 к диагностируемой подложке образца 16 с полупроводниковыми квантовыми точками. Одновременно этот сигнал поступает на управляющий вход второго 6 программируемого одновибратора, который через интервал, равный максимальному времени прижатия иглы 3 выдает через электропроводящую иглу стимулирующий импульс на вероятную квантовую точку, расположенную по поисковому адресу с координатами XY точки соприкосновения иглы с поверхностью диагностируемого образца 16. Стимулирующий импульс (длительностью Т2) с выхода второго 6 программируемого одновибратора, пройдя через вероятную полупроводниковую квантовую точку, приобретает уникальную форму сигнала отклика, соответствующею электродинамическим параметрам данной диагностируемой полупроводниковой квантовой точки, поступает на вход программируемого 9 усилителя, с выхода которого аналоговый сигнал отклика поступает на вход компаратора 10, который преобразует аналоговый сигнал в дискретный сигнал. Одновременно по заднему фронту стимулирующего сигнала, третий 7 программируемый одновибратор формирует сигнал задержки (длительностью Т3), сигнала открытия окна временного сравнения. По заднему фронту сигнала задержки (Т3) открытия окна временного сравнения четвертый 8 программируемый одновибратор формирует сигнал открытия окна временного сравнения (длительностью Т4). Выделение из всей длительности сигнала отклика информационной части длительности сигнала отклика осуществляется с помощью первого 11 элемента И временным сравнением длительности дискретного сигнала отклика, поступающего на его первый вход, с сигналом открытия окна временного сравнения (Т4), поступающего на второй вход, (задержанного на интервал (Т3) относительно стимулирующего сигнала (Т2). При совпадении сигналов по времени на выходе первого 11 элемента И появляется сигнал, который запускает одновибратор 13, длительность которого определяется минимальным временем устойчивой записи данных в блок 14 памяти. Сигнал с выхода одновибратора 13 поступает на первый вход второго 12 элемента И, на второй вход которого поступает сигнал с выхода четвертого 8 программируемого одновибратора. Задний фронт, этого сигнала запрещает прохождение сигнала записи координат XY в блок 14 памяти в случаях появления откликов, не соответствующих установленным временным интервалам, относительно заднего фронта стимулирующего импульса (Т2). При появлении сигнала «Запись» на входе блока 14 памяти, поступившего с выхода второго 12 элемента И, по адресу, соответствующему координатам XY полупроводниковой квантовой точки, записывается логическая «1» которая отображается на экране блока индикации 15 координат XY обнаруженных полупроводниковых квантовых точек в виде светящейся точки. По истечении максимального времени ожидания информационной части отклика сигнала, соответствующего допусковым временным параметрам выбранного класса полупроводниковых квантовых точек, четвертый 8 программируемый одновибратор задним фронтом импульса (Т4) запускает первый 5 программируемый одновибратор, который увеличивает адрес на «1» формирователя 1 адреса сканирования по координатам XY, и который в свою очередь сдвигает иглу 3 нанометрового размера для дальнейшего поиска на один шаг, после чего цикл идентификации каждой новой вероятной полупроводниковой квантовой точки повторяется.
На Фиг.3 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства, реализующего способ, где временные диаграммы представлены в виде трех возможных вариантов результатов поиска полупроводниковой квантовой точки (1 вариант - в левой части; 2 вариант- в центральной части, 3 вариант - в правой части), где:
1 вариант - длительность информационной части отклика τ1 входит в временной интервал окна допусковой зоны (длительностью Т4) (выполняется соотношение Т3<τ1<Т4) - координаты X1, Y1 идентифицируется как местоположение обнаруженной полупроводниковой квантовой точки (результат «полупроводниковая квантовая точка обнаружена») координаты записываются в блок 14 памяти;
2 вариант - длительность информационной части отклика τ2 больше интервала допусковой зоны (Т4) (выполняется соотношение τ2>Т3; τ2>Т4) структура, расположенная под иглой, не соответствует параметрам полупроводниковой квантовой точки (результат «полупроводниковая квантовая точка не обнаружена») координаты Х2, Y2 не записываются в блок 14 памяти;
3 вариант - длительность информационной части отклика τ3 меньше допускового интервала (ТЗ) необходимого для начала идентификации полупроводниковой квантовой точки (выполняется соотношение τ3<Т3; τ3<Т4) (информационная часть отклика отсутствует) - структура, расположенная под иглой, не соответствует разбросам параметров полупроводниковой квантовой точки (результат «полупроводниковая квантовая точка не обнаружена») координаты X3, Y3 не записываются в блок 14 памяти.
На Фиг.3 представлены следующие эпюры:
A) сигнал на выходе первого 5 программируемого одновибратора (длительностью Т1);
Б) стимулирующий сигнал на выходе второго 6 программируемого одновибратора (длительностью Т2);
B) аналоговый сигнал отклика на входе программируемого 9 усилителя;
Г) дискретный сигнал отклика на выходе компаратора 10;
Д) сигнал задержки сигнала открытия окна временного сравнения на выходе третьего 7 программируемого одновибратора (длительностью Т3);
Ж) сигнал открытия окна временного сравнения на выходе четвертого 8 программируемого одновибратора (длительностью Т4);
З) выделенная информационная часть сигнала отклика на выходе первого 11 элемента И;
И) нормализированный по длительности предварительный сигнал записи на выходе одновибратора 13;
К) сигнал «Запись» координат XY обнаруженной полупроводниковой квантовой точки на выходе второго 12 элемента И.
Устройство может быть реализовано на базе быстродействующих пикосекундных микросхемах средней интеграции, например, компании Hittite Microware или ANALOG DEVICES или на быстродействующих ПЛИС (программируемых логических интегральных схемах).
Предложенное техническое решение позволяет более достоверно по сравнению с известными обнаружить и классифицировать полупроводниковые квантовые точки, принадлежащие к заданному допусковому классу по параметрам и отобразить их топологию, что ранее было невозможно осуществить известными устройствами.
Источники информации
1. Новотный Л., Хехт Б. Основы нанооптики: Пер.с англ. / Под ред. В.В. Самарцева. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 484 с. - ISBN 978-5-9221-1095-2.
2. Климов В.В. Наноплазмоника. - 2 е изд., испр. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010 - 480 с. - ISBN 978-59221-1205-5.
3. Федотов А.В., Рухленко И.Д., Баранов А.В., Кручинин С.Ю., Оптические свойства полупроводниковых квантовых точек. - СПб.: Наука, 2011. - 188 с. - ISBN 978-5-02-025402-2.
4. Pub. №US 2006/0128034 A1 Jim. 15, 2006 (DIAGNOSTIC TEST USING GATED MEASUREMENT OF FLUORESCENCE FROM QUANTUM DOTS).
5 H.T. Баграев, А.Д. Буравлев, Л.Е. Клячкин, A.M. Маляренко, В. Гельхофф, Ю.И. Романов, С.А. Рыков Локальная туннельная спектроскопия кремниевых наноструктур. Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып.6.
6. Зубков В.И. Спектроскопия адмиттанса - эффективный метод диагностики полупроводниковых квантоворазмерных структур // ISSN 1995-4565. Приложение к журналу «Вестник РГРТУ» №4. Рязань, 2009.
7. Patent №US 7,856,665 B2 Dec.21, 2010 (APPARATUS AND METHOD FOR SCANNING CAPACITANCE MICROSCOPY AND SPECTROSCOPY).
1. Способ обнаружения квантовых точек, в соответствии с которым производят электрическое соединение электропроводящей нанометрового размера иглы с пикосекундным разрешением с поверхностью диагностируемого образца с полупроводниковыми квантовыми точками по координате Z и последовательно по шагам с интервалом, равным минимальному диаметру квантовой точки, сканируют образец с квантовыми точками по координатам XY, отличающийся тем, что формируют сигнал управления позиционированием электропроводящей нанометрового размера иглы с пикосекундным разрешением по координатам XYZ, и синхронно выбирают адреса для запоминания и индикации координат XY вероятной полупроводниковой квантовой точки, по заднему фронту сигнала управления позиционированием по координатам XYZ формируют стимулирующий сигнал в виде прямоугольного электрического импульса длительностью не менее удвоенного времени флуоресценции материала диагностируемой полупроводниковой квантовой точки и амплитудой, достаточной для наблюдения ее релаксации, воздействуют сформированным электрическим импульсом прямоугольной формы через электропроводящую иглу на диагностируемую поверхность образца с полупроводниковыми квантовыми точками, принимают и усиливают аналоговый сигнал отклика, прошедший через диагностируемый образец с полупроводниковыми квантовыми точками, с помощью компарирования преобразуют аналоговый сигнал отклика в дискретный сигнал отклика, одновременно по заднему фронту стимулирующего сигнала формируют сигнал задержки сигнала открытия окна временного сравнения, по заднему фронту сигнала задержки сигнала открытия окна временного сравнения формируют сигнал открытия окна временного сравнения, выделяют из длительности дискретного сигнала отклика информационную часть длительности сигнала отклика, временным сравнением длительности дискретного сигнала отклика с сигналом открытия окна временного сравнения при совпадении сигналов по времени производят формирование сигнала «Запись» координат XY обнаруженной полупроводниковой квантовой точки, при условии вхождения длительности информационной части сигнала отклика в допусковую зону временного окна, установленного для идентификации полупроводниковой квантовой точки на принадлежность заданному допусковому классу, производят запоминание и отображение координат XY обнаруженной полупроводниковой квантовой точки, по заднему фронту сигнала открытия окна временного сравнения закрывают окно, отменяют выполнение временного сравнения и формируют следующий сигнал управления позиционированием координат XY для поиска и идентификации следующей полупроводниковой квантовой точки, перемещают координатный стол на один шаг.
2. Устройство для осуществления способа п.1, содержащее формирователь адреса сканирования по координатам XY, позиционер иглы по координате Z, электропроводящую нанометрового размера иглу с пикосекундным разрешением, координатный стол с позиционерами по координатам XY, диагностируемый образец с полупроводниковыми квантовыми точками, отличающееся тем, что в него введены первый, второй, третий, четвертый программируемые одновибраторы, программируемый усилитель, компаратор, первый и второй элементы И, одновибратор, блок памяти, блок индикации координат XY обнаруженных полупроводниковых квантовых точек, причем выход первого программируемого одновибратора соединен с управляющим входом формирователя адресов сканирования по координатам XY, с входом позиционера иглы по координате Z и входом второго программируемого одновибратора, выход которого соединен с диагностируемым образцом с квантовыми точками через токопроводящую нанометрового размера иглу и входом третьего программируемого одновибратора, выход которого соединен с входом четвертого программируемого одновибратора, выход которого соединен с управляющим входом первого программируемого одновибратора и первыми входами второго и первого элемента И, причем второй вход первого элемента И соединен с выходом компаратора, вход которого соединен с выходом программируемого усилителя, вход которого соединен с проводящей подложкой диагностируемого образца с полупроводниковыми квантовыми точками, а выход первого элемента И соединен с управляющим входом одновибратора, выход которого соединен со вторым входом второго элемента И, выход которого соединен с входом «Запись» блока памяти, выход которого соединен с информационным входом блока индикации координат XY обнаруженных полупроводниковых квантовых точек, адресные шины XY блока индикации обнаруженных полупроводниковых квантовых точек и блока памяти соединены соответственно с адресными выходами XY формирователя адреса сканирования, а установочный вход первого программируемого одновибратора соединен с сигналом «Пуск».
