Theo phƣơng pháp này, chấm lƣợng tử đƣợc tạo ra bằng cách cô lập một vùng nhỏ hệ điện tử hai chiều với môi trƣờng xung quanh của nó bằng một hàng rào thế. Hệ điện tử hai chiều (2DES) hay còn gọi là khí điện tử hai chiều (2DEG) có thể đƣợc tìm thấy trong tranzito hiệu ứng trƣờng hay trong chất bán dẫn cấu trúc dị thể. Chất bán dẫn cấu trúc dị thể đƣợc tạo thành từ một số lớp vật liệu bán dẫn khác nhau, các lớp này rất mỏng và xếp chồng lên nhau bằng kỹ thuật mọc ghép chùm phân tử (MBE). Một trình tự các lớp bán dẫn đƣợc lựa chọn sao cho có thể giam cầm tất cả các hạt mang điện tự do vào trong một lớp tinh thể mỏng, vì điều này cần cho việc tạo thành hệ điện tử hai chiều. Một siêu cấu trúc tạo thành từ việc lặp lại tuần hoàn một trình tự các lớp nhƣ trên sẽ tạo thành mô hình “nhiều giếng lƣợng tử”. Hệ đƣợc khảo sát nhiều nhất là mô hình giếng lƣợng tử AlGaAs/GaAs. AlGaAs có cùng hằng số mạng với GaAs nhƣng độ rộng vùng cấm lớn hơn, và lớn đến cỡ nào thì lại phụ thuộc vào hàm lƣợng Al.
Các hệ QD có thể đƣợc tạo ra trong các cách lắp nằm ngang hoặc thẳng đứng nhƣ hình 1.8. Ở cách lắp nằm ngang, để triệt tiêu tĩnh điện cục bộ cho 2DEG, ngƣời ta áp một thế âm cho các điện cực lắng đọng ở mặt trên của tinh thể. Để hiểu rõ hơn hiệu ứng này, chúng ta giả sử rằng đã áp vào một thế âm cho các điện cực kim loại bên trên 2DEG. Điện trƣờng của các điện cực đẩy các điện tử ra xa bằng lực đẩy tĩnh điện, và vùng 2DEG nằm dƣới các điện cực sẽ không còn điện tử. Vùng 2DEG không còn điện tử này đóng vai trò nhƣ chất cách điện. Vì thế, bằng cách lắng đọng các điện cực kim loại lên trên bề mặt tinh thể để tạo thành các hình thù điện cực thích hợp, rồi sau đó áp điện trƣờng lên các điện cực kim loại này ta có thể tạo ra một đảo điện tích cách ly với phần còn lại của 2DEG. Nếu đảo này đủ nhỏ, nó sẽ đóng vai trò nhƣ một chấm lƣợng tử. Ở cách lắp thẳng đứng, một cột 2DEG nhỏ bị cách ly bằng cách ăn mòn khỏi cấu trúc dị thể xung quanh nó. Trong cách lắp này, các hạt mang điện cũng đƣợc giam cầm trong cả ba chiều.
Các đo lƣờng về sự truyền tải điện tử trên chấm lƣợng tử đƣợc thực hiện cho đến ngày nay đa phần đều dựa trên hai mô hình chấm lƣợng tử này. Cách lắp nằm ngang (lateral) cho phép thiết kế các cấu trúc có bậc tự do tƣơng đối cao, vì nó đƣợc quyết định bởi việc lựa chọn dạng hình học của điện cực. Ngoài ra, ngƣời ta có thể chế tạo hay nghiên cứu “phân tử nhân tạo” mà các phân tử này đƣợc tạo thành bằng cách liên kết một vài chấm lƣợng tử lại với nhau. Cách lắp thẳng đứng cho phép chế tạo các cấu trúc có rất ít điện tử.
Ƣu điểm nổi bật của phƣơng pháp quang khắc là dễ dàng nối thông tính dẫn điện giữa chấm lƣợng tử và thế giới micro. Quy trình chế tạo cũng tƣơng tự nhƣ các quy trình sử dụng trong chế tạo chip, về nguyên tắc những cấu trúc nhƣ thế có thể đƣợc gắn vào bên trong các mạch điện tử thông thƣờng. Tuy nhiên, vì dạng hình học của các chấm lƣợng tử này đƣợc quyết định bởi thao tác quang khắc, nên kích thƣớc và độ phân giải thƣờng bị giới hạn bởi kỹ thuật quang khắc. Ngay cả khi sử dụng kỹ thuật khắc bằng chùm tia điện tử để chế tạo chấm lƣợng tử, ngƣời ta vẫn không thể điều chỉnh kích thƣớc của QD với độ chính xác nano mét. Các QD chế tạo theo phƣơng pháp khắc thƣờng có kích thƣớc lớn hơn 10nm, và vì thế chỉ có thể đạt đƣợc năng lƣợng giam cầm theo phƣơng nằm ngang bé.
Hình 1.8. Các dạng chấm lƣợng tử khác nhau. (a1) Chấm lƣợng tử chế tạo
theo phƣơng pháp khắc trong cách lắp nằm ngang có thể đƣợc tạo thành bằng cách triệt tiêu tĩnh điện của 2DEG (màu xám đậm) bằng các điện cực cổng. 2DEG đƣợc tạo thành ở vị trí 20 – 100nm bên dƣới bề mặt của một
cấu trúc bán dẫn dị thể. Áp điện thế âm vào các cổng kim loại mặt trên của cấu trúc dị thể để triệt tiêu 2DEG bên dƣới các cổng này (màu xám nhạt) và khắc thành một đảo nhỏ cô lập trong 2DEG. Các điện tử vẫn có thể xuyên hầm đến và rời khỏi đảo. (a2) Một chấm lƣợng tử lắp thẳng đứng có thể đƣợc tạo thành trong một cấu trúc dị thể hàng rào kép. Một cột nhỏ đƣợc ăn mòn khỏi cấu trúc dị thể GaAs/AlGaAs/GaAs/AlGaAs/GaAs. Các lớp AlGaAs (màu xám nhạt) tạo thành các hàng rào xuyên hầm có chức năng cô lập vùng GaAs trung tâm khỏi vùng tiếp xúc. Vùng GaAs trung tâm này bây giờ đóng vai trò nhƣ một chấm lƣợng tử (màu xám đậm). Vùng tiếp xúc điện đƣợc chế tạo thông qua các tiếp điểm kim loại (màu đen) trên đỉnh cột và bên dƣới cấu trúc dị thể. (b) Chấm lƣợng tử tự lắp ghép: dùng phƣơng pháp MBE để phát triển InAs (màu xám đậm) trên GaAs (màu xám nhạt) sẽ dẫn đến việc tạo thành một lớp InAs mở rộng (lớp thấm ƣớt) và sau đó tạo thành các đảo InAs nhỏ. Các điện tử đơn lẻ hay các cặp điện tử – lỗ trống (exciton) có thể đƣợc giam cầm trong các chấm lƣợng tử, về mặt quang hay điện. (c) Các chấm lƣợng tử dạng keo: các hạt keo này có đƣờng kính chỉ vài nanomet, đƣợc tạo thành bằng cách sử dụng hóa ƣớt và có thể đƣợc sản xuất đối với hầu hết các chất bán dẫn II–IV, III–V, IV–VI và một số bán dẫn nhóm IV. Bề mặt của các chấm lƣợng tử dạng keo đƣợc bao phủ bởi một lớp phân tử chất hoạt động bề mặt để ngăn ngừa sự kết tập hạt [8].