[發明專利]一種納米線耦合量子點結構及其制備方法

有效

• 申請號: 201811248128.4
• 申請日: 2018-10-25
• 公開（公告）號: CN109524511B
• 公開（公告）日: 2019-11-01
• 發明（設計）人: 王新強;王平;沈波;孫蕭蕭;王濤;陳兆營;盛博文;鄭顯通;榮新;王丁
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00;H01L33/06
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

本發明公開了一種納米線耦合量子點結構及其制備方法。本發明采用在生長襯底上生長納米線形成納米線基板，然后生長量子點結構，再通過原位熱蒸發處理從側壁縮小橫向尺度，得到再構量子點結構，最后原位生長修復層；本發明的量子點的縱向尺寸能夠在初始外延生長中得到精確控制，而橫向尺寸則能夠在基于各向異性熱蒸發的再構過程中得到有效控制；再構量子點的橫向尺寸，通過各向異性熱蒸發調控，能夠突破納米線橫向尺寸的禁錮，甚至實現極端尺寸(<10nm)再構量子點；利用各向異性熱蒸發處理再構量子點，工藝簡單，成本低廉，擴展性強，可重復性高，能夠實現批量化制備，推動三維強受限納米線耦合量子點結構的高效制備。

技術領域

本發明涉及量子點的制備技術，具體涉及一種納米線耦合量子點結構及其制備方法。

背景技術

被譽為“類原子”的半導體量子點具有獨特的物理化學性質，近年來在物理、化學、生物和材料等多個研究領域備受關注，成為交叉研究的一種關鍵材料。量子點的極端尺寸將導致量子限域效應、宏觀隧道效應和表面/界面態效應，并派生出與宏觀體系不同的低維物性，在量子通信、非線性光學、催化、醫療及功能材料等方面具有廣泛的應用前景。隨著科學技術的發展，半導體量子點的制備方法不再局限于化學合成，物理化學沉積、微納加工等方法也被廣泛應用于量子點的制備。在III-V族或II-VI族半導體中，外延模式控制是量子點制備的主要方法，在Stranski-Krastanow(SK)生長模式下，沉積幾個原子層的浸潤層后，在晶格失配應變的驅動下，后續外延層將以三維模式生長，在薄膜結構之上形成自組裝的量子點；此外，微結構耦合量子點也被廣泛應用于微納光電器件的研制，該類結構中量子點采用脈沖中斷生長的方法獲得，其尺寸與微結構的尺寸密切相關，通常難以獲得正真意義上三維強受限的量子點結構。盡管SK生長模式能夠實現三位強受限量子點結構的制備，然而，這種方法形成的量子點存在分布隨機，尺寸和組分波動較大等不可避免的問題，并且在納米器件的研制中需要對其他量子點的關聯效應進行屏蔽，增加了工藝復雜性。隨著器件微型化的發展和摩爾定律的延續，單個器件尺寸日益縮小，量子器件逐步取代傳統器件結構，例如在量子通信和量子計算領域，納米線耦合量子點結構通常用于量子光源的制備，因此，納米線結構中量子點尺寸的精準控制愈發重要。

目前報道的直接生長于納米線上的量子點結構可分為尖端量子點和小尺寸平滑頂面量子點兩種，分別面臨著尖端側壁外延不可避免和平滑頂面橫向尺寸不可控制的問題，這導致量子點橫向尺寸嚴重依賴于納米線的直徑(通常大于50nm)，盡管其縱向尺寸可通過外延調控實現精確控制，但這類量子點結構卻不是嚴格意義上的三維強受限結構。

發明內容

針對以上現有技術中存在的問題，本發明提出了一種基于各向異性熱蒸發技術的納米線耦合量子點結構及其制備方法，通過對熱蒸發溫度、時間和氣氛的控制可實現對量子點尺寸的有效控制。

本發明的一個目的在于提出一種納米線耦合量子點結構。

本發明的納米線耦合量子點結構包括：生長襯底、納米線、再構量子點結構和修復層；其中，生長襯底滿足在其上生長的納米線，能夠實現納米線頂端晶面的熱穩定性大于納米線側壁的熱穩定性；在生長襯底上生長垂直取向的納米線，從而形成納米線基板；在納米線的頂端生長單周期或多周期的量子點結構，量子點結構從下至上依次包括底勢壘、量子點和頂勢壘；量子點結構生長結束后，在相同的環境下，將生長了量子點結構的納米線基板在固定溫度下進行原位熱蒸發處理，固定溫度高于量子點結構的分解溫度，由于各向異性熱蒸發，熱穩定性較差的量子點結構的側壁開始分解，量子點結構的直徑隨著熱蒸發的進行逐漸減小，量子點結構中的底勢壘、量子點和頂勢壘的直徑均減小，通過控制熱蒸發的時間從而控制量子點結構的直徑至設定的尺寸，實現對已形成的量子點結構的再度構造得到再構底勢壘、再構量子點和再構頂勢壘，從而得到再構量子點結構；在相同的環境下，通過再生長方法，在熱蒸發處理后的納米線和再構量子點結構的上表面和側壁外延或沉積修復層，原位修復熱蒸發過程中納米線表面的損傷，并進一步增強再構量子點結構的限制效應，從而得到具有強限制效應的小尺寸納米線耦合量子點結構。