[發(fā)明專(zhuān)利]一種量子點(diǎn)材料的制作裝置及制作方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110224270.7
• 申請(qǐng)日: 2011-08-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102916343A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-02-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 彭長(zhǎng)四
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 蘇州大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01S5/34
• 分類(lèi)號(hào): H01S5/34;B82Y40/00
• 代理公司: 北京集佳知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 常亮;李辰

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及低維半導(dǎo)體材料的制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種量子點(diǎn)半導(dǎo)體材料的制作裝置和制作方法。

背景技術(shù)

半導(dǎo)體量子點(diǎn)低維納米結(jié)構(gòu)材料由于其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和態(tài)密度，呈現(xiàn)出優(yōu)異的光電特性，在未來(lái)納米電子學(xué)，光電子學(xué)，生命科學(xué)和量子計(jì)算等領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用前景。理論分析表明，量子點(diǎn)激光器在很多方面要比量子阱激光器具有更優(yōu)越的性能。如更高增益、更低閾值電流、更高量子效率及熱穩(wěn)定性更好等。此外利用量子點(diǎn)電子的“遂穿”效應(yīng)，可以精確控制進(jìn)入或離開(kāi)量子點(diǎn)電子數(shù)目至單電子精度，從而可制作單電子晶體管。量子點(diǎn)還有望應(yīng)用于固態(tài)量子計(jì)算、垂直入射光探測(cè)器等。

S-K模式自組織生長(zhǎng)是目前國(guó)內(nèi)外科學(xué)家研究最多的，且具有重要應(yīng)用價(jià)值的量子點(diǎn)材料制備方法。其主要原理如下：不同于襯底晶格常數(shù)的半導(dǎo)體材料在分子束外延(Molecular?Beam?Epitaxy；MBE)等外延生長(zhǎng)過(guò)程中，生長(zhǎng)方向的晶格常數(shù)不同于襯底平面，這樣就會(huì)產(chǎn)生晶格應(yīng)力。應(yīng)力積聚到一定的程度就會(huì)通過(guò)表面原子遷移和聚集，或者產(chǎn)生失配位錯(cuò)，來(lái)釋放這些應(yīng)力。前者聚集成堆的原子團(tuán)在生長(zhǎng)過(guò)程中將長(zhǎng)大并被掩埋在隨后生長(zhǎng)的外延材料中，形成量子點(diǎn)。由于應(yīng)力釋放需要而形成的初始原子團(tuán)，就是量子點(diǎn)生長(zhǎng)的“種子”，隨后的量子點(diǎn)就是這些“種子”長(zhǎng)大形成的。而這些“種子”的形成是熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)漲落的結(jié)果，其形成位置、速度和大小完全是隨機(jī)的。這就是所謂量子點(diǎn)的S-K動(dòng)態(tài)隨機(jī)生長(zhǎng)機(jī)制。

如圖1A所示。目前應(yīng)用于器件的量子點(diǎn)都是如圖1A的S-K模式外延生長(zhǎng)模式生長(zhǎng)的“無(wú)序”自組織生長(zhǎng)(動(dòng)力學(xué)隨機(jī)生長(zhǎng))的量子點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)是無(wú)缺陷，可以用于實(shí)際器件的制備，并且被證明性能明顯優(yōu)于同類(lèi)器件的其它材料。然而，許多關(guān)鍵參數(shù)，諸如：量子點(diǎn)的尺寸和空間分布是隨機(jī)的和不可控的，可重復(fù)生產(chǎn)性差，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。如此生長(zhǎng)的量子點(diǎn)無(wú)法用來(lái)制備量子信息器件，即使從規(guī)模器件工藝制備的大量器件中有幸發(fā)現(xiàn)少量能工作的器件，其各個(gè)器件的性能也會(huì)有很大的差別。這種“無(wú)序”量子點(diǎn)由于增益譜太寬，也很難制備比較大功率的激光器。圖1B中“短程有序”的量子點(diǎn)是通過(guò)在原位向襯底噴射刻蝕氣體，在襯底表面刻蝕出一些微孔，然后再在這些微孔的位置生長(zhǎng)出量子點(diǎn)雙胞胎，與“無(wú)序”自組織的量子點(diǎn)相比，有一定的有序性，然而在刻蝕氣體刻蝕出的微孔里會(huì)有很多刻蝕缺陷，這些缺陷會(huì)在生長(zhǎng)量子點(diǎn)的過(guò)程中被保留甚至放大。圖1C中“長(zhǎng)程有序”的量子點(diǎn)是通過(guò)事先將襯底用常規(guī)納米制造技術(shù)，刻蝕出納米圖樣模板，然后再在這個(gè)模板上外延生長(zhǎng)量子點(diǎn)。常規(guī)納米結(jié)構(gòu)化引入的缺陷無(wú)論從大小還是規(guī)模都比刻蝕氣體刻蝕出微孔而引發(fā)的缺陷要大。“短程有序”和“長(zhǎng)程有序”的量子點(diǎn)里的缺陷都使其制備的器件無(wú)法工作。

因此，如何制備大面積長(zhǎng)程有序分布的無(wú)缺陷或低缺陷密度的量子點(diǎn)成為了目前半導(dǎo)體低維納米結(jié)構(gòu)材料的前沿和熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明了提出一種制作量子點(diǎn)材料的裝置和方法，可以在進(jìn)行外延的過(guò)程中，即時(shí)的控制量子點(diǎn)的生長(zhǎng)位置，不僅可以制作出長(zhǎng)程有序的量子點(diǎn)材料，而且因?yàn)闊o(wú)需對(duì)襯底進(jìn)行任何刻蝕處理，因此不會(huì)引起因刻蝕而帶來(lái)的缺陷問(wèn)題。

根據(jù)本發(fā)明的目的提出的一種量子點(diǎn)制作裝置，包括外延裝置以及用于產(chǎn)生干涉圖像的光學(xué)裝置，所述外延裝置包括生長(zhǎng)室，所述生長(zhǎng)室為真空腔室，用于放置一襯底材料，該生長(zhǎng)室腔壁上設(shè)有可供光線射入的多個(gè)窗口，所述光學(xué)裝置包括激光光源和調(diào)制光路，光束從激光光源射出后，經(jīng)所述調(diào)制光路分成多束光，該多束光分別通過(guò)所述多個(gè)窗口后射入生長(zhǎng)室中，并在所述襯底材料表面形成干涉圖像。

可選的，所述多個(gè)窗口為三個(gè)，各自等間距的分布在所述生長(zhǎng)室的腔壁四周。

可選的，所述光束從激光光源射出后，經(jīng)調(diào)制光路分成三束光，該三束光分別通過(guò)上述三個(gè)窗口后射入生長(zhǎng)室中，并在襯底材料表面形成三光束干涉圖像。

可選的，所述多個(gè)窗口為四個(gè)，各自等間距的分布在所述生長(zhǎng)室的腔壁四周。

可選的，所述光束從激光光源射出后，經(jīng)調(diào)制光路分成四束光，該四束光分別通過(guò)上述四個(gè)窗口后射入生長(zhǎng)室中，并在襯底材料表面形成四光束干涉圖像。

可選的，所述激光光源為脈沖激光光源。

根據(jù)本發(fā)明的目的同時(shí)提出的一種量子點(diǎn)材料的制作方法，采用上述的量子點(diǎn)材料制作裝置進(jìn)行制作，包括步驟：

1)將一襯底材料裝載到生長(zhǎng)室中，對(duì)生長(zhǎng)室進(jìn)行抽真空；

2)對(duì)襯底加熱，使襯底維持在第一溫度下，并開(kāi)始用外延方法在所述襯底表面沉積一外延層；