[发明专利]一种大面积完美量子点及其阵列制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体量子点制备方法，属纳米材料和结构制备与应用技术领域，尤其涉及一种大面积完美量子点及其阵列制造方法。

背景技术

以半导体量子点(Quantum dot，QD)为代表的半导体纳米结构在纳光电子、纳电子、单光子源、量子功能器件和量子计算等领域有非常广泛的应用前景。大小和形状高度均匀、成核位置精确控制、长程有序、高光学质量和无缺陷的量子点亦称为完美量子点。制造大面积完美量子点及其量子点阵列(Quantum dot arrays，QDAs)是实现许多高性能量子点功能器件(诸如量子点激光器、量子点存储器、量子点单光子源、量子点太阳能电池、量子点LED等)以及量子计算和量子特性研究的基础和关键。例如，理想的量子点激光器对于量子点性能的要求：高密度(High density，＜10¹⁰cm^-2)、小尺寸、尺寸和形状高度均匀一致(尺寸的涨落低于10％)。量子点单光子源对于量子点性能的要求：成核位置的精确控制(Precisely positioning control)、低密度(Low density，＜10⁷cm^-2)、高度均与性(Uniformity)。目前，高度均匀有序量子点及其阵列的制造主要限定在非常小的面积内，在大面积上制造量子点一方面容易产生缺陷和引入污染物，另一方面在大面积上获得高度、均匀有序量子点及其阵列也是一个非常困难的问题，尤其是对尺寸涨落(均匀一致性)的控制，在～cm²面积上生长高度均匀有序的量子点及其阵列现在仍然是一个极具挑战性的科学和技术难题。目前，还没有一种较为理想的实现方法。但是，在大面积上获得高度均匀，位置、大小、密度和组分可控、长程有序无缺陷的量子点及其阵列(完美量子点及其阵列)对于量子点器件性能的提高、新一代量子点功能器件的开发、量子计算、量子特性的研究等具有非常重要的作用。但目前还没有一种较为理想和可行的制造方法(低成本、高生产率和一致性好)实现大面积完美量子点及其阵列的规模化生产。这已经成为制约量子器件实用化的技术瓶颈。

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半导体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(Molecular Beam Epitaxy，MBE)和金属有机化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，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S-K模式量子点自组装生长过程中所固有的特性(浸润层，Wetting Layer)，导致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、组分及其密度分布还无法实现进行精确的控制，难以形成高度均匀有序、位置可控的量子点及其阵列结构。此外，S-K模式直接自组装生长量子点的方法难以实现低密度量子点的制造以及量子点成核空间位置的绝对精确控制，但S-K模式直接自组装生长则在高密度、高光学特性、无缺陷量子点制作方面具有显著的优势。因此，S-K模式直接自组装生长量子点虽然可以获得高密度、无缺陷量子点，但难以实现量子点精确位置控制、低密度量子点的制造，以及尺寸和形状高度均匀性量子点及其阵列的制造。