[发明专利]一种大面积、高度均匀有序量子点阵列制造方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料和结构制备与应用技术领域中的半导体量子点阵列制造方法，尤其涉及一种自组织高度生长均匀有序、位置可控的大面积、高度均匀有序量子点阵列制造方法，属纳米材料和结构制备与应用技术领域。

背景技术

以半导体量子点（Quantumdot,QD）为代表的半导体纳米结构在光电子、纳电子和量子器件等领域有非常广泛的应用前景，制作尺寸均匀、空间有序和位置可控的量子点及其量子点阵列(Quantumdotarrays,QDAs)，是实现许多高性能量子点器件（诸如量子点激光器、量子点存储器、量子点太阳能电池、量子点LED、单光子发射器、量子点红外探测器等）以及量子计算等研究的基础和关键。例如，量子点激光器的研制在近几年内取得了长足进步，已经向传统半导体激光器开始了强有力的挑战，但其性能与理论预测相比仍有较大的差距。其中一个关键问题就是目前尚无法在纳米尺度上精确地控制量子点的尺寸、位置及其均匀性，制备出高度均匀有序的量子点阵列。虽然量子点的材料增益很大，但由于尺寸分布的不均匀性，使量子点发光峰非均匀展宽，发光峰半宽比较宽，远大于量子阱材料。实际上只有很少一部分量子点对激光器的发光有贡献，限制了光增益，影响了激光器激射阈值的进一步降低。量子点太阳能电池（第三代太阳能电池）是目前最新、最尖端的太阳能电池之一，大面积、均匀有序量子点阵列制备是实现量子点太阳能电池的核心技术，并对于进一步提高其光电转换效率起到极为重要的作用。在信息处理的应用中，如单电子晶体管和量子自动原胞机等概念器件中，除了要求尺寸和形状一致的空间有序的量子点阵列以外，甚至需要对量子点的位置实现精确控制。因此，如何制造出尺寸均匀一致、高度有序和位置可控的量子点阵列纳米结构，对进一步提高量子点器件性能以及突破制约量子点器件实用化的技术瓶颈具有非常重要的现实意义。

目前量子点的制备方法主要有应变自组装、化学合成法、离子注入法、VLS技术(气-液-固相生长)、层状异质结构生长和微细加工相结合等方法。其中S-K（Stranski-Krastnow）模式下的自组装生长工艺是目前制作QDs最主要也是最具有工业化应用前景的一种技术。分子束外延（MolecularBeamEpitaxy,MBE）和金属有机化学气相沉积（Metal-organicChemicalVaporDeposition,MOCVD)等外延自组装生长工艺已经被广泛用于自组装量子点的制备。并且已经用于III-V族、II-IV族、IV-VI族等材料体系的半导体量子点的制备。但由于自组装生长过程中所固有的特性：量子点成核过程的随机性，量子点排布却往往是无序的，量子点尺寸大小、形状、位置及其密度分布还无法实现在纳尺度下进行精确的控制，难以形成高度均匀有序、位置可控的量子点阵列结构。

自从利用S-K生长模式获得无位错量子点以来，研究人员一直试图对量子点的尺寸、密度、均匀性及空间有序排列进行控制。目前已经提出了多种方法来提高量子点有序性和精确位置控制，这些方法基本上都是利用运动学和动力学方法在生长表面为量子点提供优先的成核位置。第一种方法是生长多层量子点，但由于最初的量子点分布的随机性，要获得高的有序性必须生长很大数目的量子点层，同时多层结构会带来量子点的尺寸变大，合金效应增强等问题，从而降低量子点的可控性。第二种方法是利用弛豫应变层表面的位错网络为自组装量子点提供成核中心，但位错的形成存在一定程度的随机性，很难产生排布规则的位错网格，因而量子点的分布有序度改善不大，并且不容易控制。另外，滑移位错有可能穿透量子点，破坏量子点的共格性，对量子点的某些应用带来不利影响。利用生长在邻晶衬底或高指数面上均匀分布的台阶作为运动学的量子点成核中心，也可用来提高自组装量子点的有序性,但实验上用这种方法得到量子点阵列只表现出短程的有序性。第三种方法是在预先准备好的图形衬底上进行自组装生长，利用台面图形的边缘所提供的成核中心或者钝化薄膜（如SiO₂）的窗口的外延选择性，直接在图形表面生长有序的量子点阵列，此外，还可以将图形通过生长多量子阱转化为表面的应力分布,然后再进行量子点的生长。已有的研究结果表明：基于图形化衬底生长量子点和量子点阵列具有同时实现位置和尺寸的双重控制控制优点，能够精确控制量子点的位置，尺寸均匀性也较好，可获得长程有序的量子点阵列，是一种切实可行的方法。但该方法目前还需要进一步改进图形衬底的制作方法并且优化生长工艺和生长条件，以满足实际工业化应用和高性能量子点器件的需要。