[发明专利]一种预后制备量子点的量子点耦合微结构及其制备方法

说明书

本发明公开了一种预后制备量子点的量子点耦合微结构及其制备方法。本发明中量子点的纵向尺寸由量子阱的厚度控制，量子点组分由量子阱的组分控制，均匀性高于自组装生长的量子点结构；量子点的横向尺寸，通过选择性热蒸发的方式予以调控，能够突破外延生长极限，其横向尺寸能够远低于自组装生长的量子点；量子点在微结构中的位置通过微纳加工技术控制，能够实现量子点在微结构中的位置高度可控；本发明利用选择性热蒸发处理预后制备量子点，工艺简单，成本低廉，扩展性强，可重复性高，能够实现批量化制备，推动量子点耦合微结构的实用化进程。

技术领域

本发明涉及量子点，具体涉及一种预后制备量子点的量子点耦合微结构及其制备方法。

背景技术

1983年，贝尔实验室Brus教授首次提出胶状量子点的概念；1993年，麻省理工学院的Bawendi教授课题组首次合成了大小均一的量子点；1996年，芝加哥大学Hines等人成功合成了ZnS/CdSe核壳量子点结构。被誉为“类原子”的半导体量子点具有独特的性质，近年来备受关注，其研究及应用领域涉及到物理、化学、生物和材料等多个学科，已然成为交叉研究的一种关键材料。量子点的小尺寸效应将引起量子限域效应、宏观隧道效应和表面效应，并派生出纳米体系与宏微观体系不同的低维物性，展现出不同于微观材料的物理化学性质，在非线性光学、催化、医疗及功能材料等方面具有广泛的应用前景。随着材料制备技术和微纳加工工艺的发展，半导体量子点的制备方法不再局限于化学合成，物理化学沉积、微纳加工等方法也被广泛应用于量子点的制备。在III-V族或II-VI族半导体中，外延模式控制是量子点制备的主要方法，在Stranski-Krastanow(SK)生长模式下，沉积几个原子层的浸润层后，在晶格应变的作用下，后续层将以三维模式生长，形成自组装的量子点。目前，SK生长模式已成为半导体量子点结构制备的主流方法。然而，这种方法形成的量子点存在分布随机，尺寸和组分波动较大等不可避免的问题。随着器件微型化的发展和摩尔定律的延续，单个器件尺寸日益缩小，量子器件逐步取代传统器件结构，例如在量子通信和量子计算领域，单个量子点通常用于量子光源的制备，因此，对单个量子点结构的精准控制愈发重要。

量子点在衬底上的分布位点可以通过设计图形，采用纳米压印、聚焦离子束、电子束曝光等微加工方法予以控制，迫使量子点在人工制备的位点上生长。同时，除了SK模式生长的量子点之外，通过微加工的方法也能够实现二维量子阱至准零维量子点结构的转变，实现量子点的尺寸控制。然而，该方法存在尺寸调控有限(受限于微加工极限)、成本高昂、工艺复杂等瓶颈。以上技术难点使得位点、尺寸和组分等多维度可控的量子点制备难以实现。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于选择性热蒸发(Selective Thermal Evaporation,STE)技术制备量子点耦合微结构的方法，辅以微纳加工技术，能够实现多种量子点耦合微结构的制备，通过对热蒸发温度、时间和气氛的控制可实现对量子点尺寸的有效控制；本发明的方法制备的量子点具有位点、尺寸精确可控，并可按需置入多种微纳结构之中。

本发明的一个目的在于提出一种预后制备量子点的量子点耦合微结构。

本发明的预后制备量子点的量子点耦合微结构包括：微结构底势垒、量子点、微结构顶势垒和修复层；其中，在衬底上生长外延基板，在外延基板上生长量子阱结构，量子阱结构为单量子阱或多量子阱，量子阱结构的一个周期中的底势垒和顶势垒共同构成势垒层，二者中间为量子阱；利用微纳加工技术将量子阱结构制备成微结构，微结构贯穿整个量子阱结构，微结构包括单周期或多周期的微结构底势垒、微结构量子阱和微结构顶势垒，微结构底势垒和微结构顶势垒共同构成微结构势垒层；将微结构置于特定氛围中进行高温选择性热蒸发处理，分解温度较低的微结构量子阱将由边缘向内逐渐分解蒸发，而分解温度较高的微结构势垒层则得以保留，此即为选择性热蒸发；通过控制热蒸发温度和时间，使微结构中的微结构量子阱的横向尺寸随着热蒸发的进行而逐渐减小，最后形成量子点，从而形成包括微结构底势垒、量子点和微结构顶势垒的量子点微结构；通过再生长方法，在量子点微结构的表面外延或沉积修复层，从而形成量子点耦合微结构。