一种采用液滴刻蚀外延生长技术制备周期性阵列量子点的方法
1.本发明涉及半导体材料制备技术领域，更具体地，涉及一种采用液滴刻蚀外延生长技术制备周期性阵列量子点的方法。
背景技术：
2.量子点是一种在三维空间上受到限制的、纳米级别大小的半导体物质。由于其尺寸的特殊性而具有离散的电子态和分立的能级，被称为“人造原子”。目前已经被广泛的应用于晶体管、发光二极管、激光器等传统光电子器件中。同时，半导体量子点通常被认为是理想的两能级系统，显示出独特的量子限制效应，作为单光子源，在基于固态的量子光学信息技术方面也受到了越来越多的关注。
3.为了能够量子点器件能够进行大规模的集成、制备多量子比特和构建可扩展性量子网络，半导体量子点不可避免的被要求具有周期阵列的结构排布。由于自组织量子点在生长过程中是自发形成的，其位置随机分布，存在不确定性，所以难于进行大规模的集成加工。早期研究者们通过在图形衬底外延生长的方法制备量子点阵列，实现在工艺精度范围内控制量子点的形状、密度及空间位置，但此方法形成的量子点的发光品质易受工艺刻蚀引起的缺陷及损伤的影响。如何在保证良好的量子点光电学性质前提下，制备大面积、周期阵列的无缺陷量子点是目前量子点微纳光量子器件技术亟待解决的问题。
4.液滴刻蚀外延生长的量子点，近年来在量子点材料的制备技术中掀起研究热潮。这一外延技术的优势在于：1)液滴刻蚀外延的本质是v-w模式生长，与传统应力驱动的s-k模式不同，可兼容同质材料体系如gaas/algaas等；2)也由于非应力驱动，不受固有晶格失配大小的限制，量子点的大小及形状的调控范围大，即对应着更丰富的单光子发射调控，包括精细结构劈裂、波长等；3)由于高温生长，其晶格的缺陷小，量子点的发光性能好。
5.现有技术公开了一种大面积量子点及其阵列制造方法。首先，在衬底缓冲层之上沉积一层薄的电介质层，采用软紫外纳米压印和刻蚀工艺在电介质层上制作出纳米孔图形阵列；然后，以制备的图形化衬底为模板，使用选择性外延生长工艺，在图形窗口区域纳米孔内生长种子层量子点，去除电介质层，得到种子层；在种子层之上生长隔离层，在隔离层之上垂直堆积生长量子点，获得大面积完美量子点及其阵列。该对比文件虽涉及量子点阵列的制造，但其采用的是传统的选择性外延生长和垂直堆积生长工艺。
技术实现要素：
6.本发明提供了一种采用液滴刻蚀外延生长技术制备周期性阵列量子点的方法，将液滴刻蚀引入量子点定位生长技术，通过对原有图形层的进一步刻蚀，以消除图形加工过程引入的缺陷和损伤，从而制备大面积高品质周期性阵列的无缺陷量子点。
7.本发明的首要目的是为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
8.一种采用液滴刻蚀外延生长技术制备周期性阵列量子点的方法，包括以下步骤：
9.s1.设置衬底材料，对所述衬底材料进行表面清洁处理；
10.s2.在衬底材料上生长缓冲层，在所述缓冲层上生长外延层；
11.s3.通过纳米图形化衬底工艺，在外延层制备周期性阵列的纳米空洞；
12.s4.对具有纳米空洞的外延层进行进行氢原子辅助脱氧处理；
13.s5.在脱氧后的外延层上对纳米空洞的位置定位沉积iii族金属液滴，在高温下金属液滴向下刻蚀；
14.s6.在刻蚀后的外延层上填充量子点材料；
15.s7.在量子点和外延层上生长盖层，完成制备。
16.进一步的，衬底材料、缓冲层为gaas时，外延层和盖层为algaas；衬底材料、缓冲层为inp时，外延层和盖层为inalgaas；衬底材料、缓冲层为gasb时，外延层和盖层为algaassb。
17.进一步的，缓冲层的厚度为100-600nm，所述缓冲层用于平整衬底的表面。
18.进一步的，步骤s3所述的纳米图形化衬底工艺包括：原子力显微镜(afm)局部氧化刻蚀或纳米压印或电子束直写工艺制备图形化衬底。
19.进一步的，步骤3所述的纳米孔洞的直径为20-90nm，深度为4-30nm。
20.进一步的，步骤4所述的氢原子辅助脱氧处理，具体步骤是：将衬底温度升至300-400℃，同时将氢气裂解器温度升至1400-1800℃,打开氢气,控制处理腔体的真空在1.0
×
10
–
7-2
×
10
–7mbar，除气20-40分钟。
21.进一步的，步骤5所述的在外延层表面定位沉积iii族金属液滴，沉积后的金属液滴将在表面自由能的驱动下在纳米孔洞的位置定位沉积，在高温下金属液滴向下刻蚀,以消除图形衬底过程引入的缺陷和损伤，具体步骤是：将衬底温度调至550-700℃；通入iii族金属束流，控制iii族金属束流通入时间为0.5-20s；升高衬底温度至600-700℃。
22.进一步的，步骤5中所采用的iii族金属液滴为ga、in、al中的一种。
23.进一步的，步骤6所述的量子点材料为gaas、inas、ingaas、ingaasp、gasb或algasb，其能带小于外延层及盖层材料带隙，以实现对载流子的三维限制，其晶格常数与外延层及盖层接近，以减小填充量子点的应力。
24.进一步的，量子点材料的厚度为0.3-3nm；外延生长采用分子束外延或金属有机化合物气相沉积。
25.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
26.本发明将液滴刻蚀引入量子点定位生长技术，以消除图形衬底过程引入的缺陷和损伤，有利于减少量子点生长过程中引入的缺陷，提高量子点材料的性能。
27.本发明采用液滴刻蚀外延生长量子点，与传统的s-k模式生长的量子点相比，能够兼容同质材料体系，具有不受固有晶格失配大小的限制、量子点的大小及形状的调控范围大以及量子点的发光性能好的优点。
28.本发明尤其适合大面积低密度完美量子点阵列的制造，为量子点器件大规模的集成、制备多量子比特和构建可扩展性量子网络，提供了一种可行的方案。
附图说明
29.图1为本发明采用液滴刻蚀外延生长技术制备周期性阵列量子点的方法流程图。
30.图2为本发明采用液滴刻蚀外延生长技术制备周期性阵列量子点结构示意图。
具体实施方式
31.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
32.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
33.实施例1
34.如图1-图2所示，本发明提供了一种采用液滴刻蚀外延生长技术制备周期性阵列量子点的方法，包括：
35.s1：取一衬底，该衬底为gaas,生长材料前需要根据衬底材料的性质在一定的温度下进行脱氧处理；
36.s2：在衬底上生长缓冲层，缓冲层材料为gaas，厚度为100-600nm，其是用于平整衬底的表面；之后再继续生长外延层，外延层材料为algaas，al的组分优选为0.2-0.4，厚度优选为30-200nm。
37.s3：通过纳米图形化衬底工艺，在外延层上制备周期性阵列的纳米孔洞；纳米图形化衬底工艺优选为afm局部氧化刻蚀或者纳米压印或者电子束直写工艺；纳米孔洞的直径优选为20-90nm，深度为4-30nm。
38.s4：对具有纳米孔洞的外延层进行氢原子辅助脱氧处理，具体步骤是：将衬底温度升至300-400℃，同时将氢气裂解器温度升至1400-1800℃，打开氢气,控制处理腔体的真空在1.0
×
10
–
7-2
×
10
–7mbar，除气20-40min。
39.s5：在脱氧后的外延层上沉积al金属液滴，al束流为0.1-1.0ml/s，沉积时间为0.5-20s，在表面自由能的驱动下，al金属液滴在表面能最低的纳米孔洞定位沉积，控制衬底温度为600-700℃，al金属液滴向下刻蚀,以消除在图形衬底过程中引入纳米孔洞的缺陷和损伤。
40.s6：在刻蚀后的外延层上填充量子点材料，量子点材料为gaas，量子点材料的厚度为0.3-3nm，优选为1.5nm。
41.s7：在量子点和外延层上生长盖层，盖层材料为algaas，al的组分优选为0.2-0.4，厚度优选为30-200nm，用于盖住量子点形成三维量子限制同时避免表面态对量子点光电子学性质的影响，完成制备。
42.实施例2
43.s1：取一衬底，该衬底为inp,生长材料前需要根据衬底材料的性质在一定的温度下进行脱氧处理；
44.s2：在衬底上生长缓冲层，缓冲层材料为inp，厚度为100-600nm，其是用于平整衬底的表面；之后再继续生长外延层，外延层材料为ingaalas，al的组分优选为0.15-0.2，厚度优选为30-200nm。
45.s3：通过纳米图形化衬底工艺，在外延层上制备周期性阵列的纳米孔洞；纳米图形
化衬底工艺优选为afm局部氧化刻蚀或者纳米压印或者电子束直写工艺；纳米孔洞的直径优选为20-90nm，深度为4-30nm。
46.s4：对具有纳米孔洞的外延层进行氢原子辅助脱氧处理，具体步骤是：将衬底温度升至300-400℃，同时将氢气裂解器温度升至1400-1800℃，打开氢气,控制处理腔体的真空在1.0
×
10
–
7-2
×
10
–7mbar，除气20-40min。
47.s5：在脱氧后的外延层上沉积in金属液滴，in束流为0.1-1.0ml/s，沉积时间为0.5-20s，在表面自由能的驱动下，in金属液滴在表面能最低的纳米孔洞定位沉积，控制衬底温度为600-700℃，in金属液滴向下刻蚀,以消除在图形衬底过程中引入纳米孔洞的缺陷和损伤。
48.s6：在刻蚀后的外延层上填充量子点材料，量子点材料为ingaas，量子点材料的厚度为0.3-3nm，优选为1.5nm。
49.s7：在量子点和外延层上生长盖层，盖层材料为inalgaas，al的组分优选为0.15-0.2，厚度优选为30-200nm，用于盖住量子点形成三维量子限制同时避免表面态对量子点光电子学性质的影响，完成制备。
50.实施例3
51.s1：取一衬底，该衬底为gasb生长材料前需要根据衬底材料的性质在一定的温度下进行脱氧处理；
52.s2：在衬底上生长缓冲层，缓冲层材料为gasb，厚度为100-600nm，其是用于平整衬底的表面；之后再继续生长外延层，外延层材料为algaassb，al的组分优选为0.2-0.5，厚度优选为30-200nm。
53.s3：通过纳米图形化衬底工艺，在外延层上制备周期性阵列的纳米孔洞；纳米图形化衬底工艺优选为afm局部氧化刻蚀或者纳米压印或者电子束直写工艺；纳米孔洞的直径优选为20-90nm，深度为4-30nm。
54.s4：对具有纳米孔洞的外延层进行氢原子辅助脱氧处理，具体步骤是：将衬底温度升至300-400℃，同时将氢气裂解器温度升至1400-1800℃，打开氢气,控制处理腔体的真空在1.0
×
10
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7-2
×
10
–7mbar，除气20-40min。
55.s5：在脱氧后的外延层上沉积al或者ga金属液滴，束流为0.1-1.0ml/s，沉积时间为0.5-20s，在表面自由能的驱动下，al或ga金属液滴在表面能最低的纳米孔洞定位沉积，控制衬底温度为600-700℃，al或ga金属液滴向下刻蚀,以消除在图形衬底过程中引入纳米孔洞的缺陷和损伤。
56.s6：在刻蚀后的外延层上填充量子点材料，量子点材料为ingasb，量子点材料的厚度为0.3-3nm，优选为1.5nm。
57.s7：在量子点和外延层上生长盖层，盖层材料为algaassb，al的组分优选为0.2-0.5，厚度优选为30-200nm，用于盖住量子点形成三维量子限制同时避免表面态对量子点光电子学性质的影响，完成制备。
58.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求
的保护范围之内。
技术特征：
1.一种采用液滴刻蚀外延生长技术制备周期性阵列量子点的方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.设置衬底材料，对所述衬底材料进行表面清洁处理；s2.在衬底材料上生长缓冲层，在所述缓冲层上生长外延层；s3.通过纳米图形化衬底工艺，在外延层制备周期性阵列的纳米空洞；s4.对具有纳米空洞的外延层进行进行氢原子辅助脱氧处理；s5.在脱氧后的外延层上对纳米空洞的位置定位沉积iii族金属液滴，在高温下金属液滴向下刻蚀；s6.在刻蚀后的外延层上填充量子点材料；s7.在量子点和外延层上生长盖层，完成制备。2.根据权利要求1所述的一种采用液滴刻蚀外延生长技术制备周期性阵列量子点的方法，其特征在于，衬底材料、缓冲层为gaas时，外延层和盖层为algaas；衬底材料、缓冲层为inp时，外延层和盖层为inalgaas；衬底材料、缓冲层为gasb时，外延层和盖层为algasb。3.根据权利要求1所述的一种采用液滴刻蚀外延生长技术制备周期性阵列量子点的方法，其特征在于，缓冲层的厚度为100-600nm，所述缓冲层用于平整衬底的表面。4.根据权利要求1所述的一种采用液滴刻蚀外延生长技术制备周期性阵列量子点的方法，其特征在于，步骤s3所述的纳米图形化衬底工艺包括：原子力显微镜(afm)局部氧化刻蚀或纳米压印或电子束直写工艺制备图形化衬底。5.根据权利要求1所述的一种采用液滴刻蚀外延生长技术制备周期性阵列量子点的方法，其特征在于，步骤3所述的纳米孔洞的直径为20-90nm，深度为4-30nm。6.根据权利要求1所述的一种采用液滴刻蚀外延生长技术制备周期性阵列量子点的方法，其特征在于，步骤4所述的氢原子辅助脱氧处理，具体步骤是：将衬底温度升至300-400℃，同时将氢气裂解器温度升至1400-1800℃,打开氢气,控制处理腔体的真空在1.0
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10
–7mbar，除气20-40分钟。7.根据权利要求1所述的一种采用液滴刻蚀外延生长技术制备周期性阵列量子点的方法，其特征在于，步骤5所述的在外延层表面定位沉积iii族金属液滴，在高温下金属液滴向下刻蚀，具体步骤是：将衬底温度调至550-700℃；通入iii族金属束流，控制iii族金属束流通入时间为0.5-20s；升高衬底温度至600-700℃。8.根据权利要求1所述的一种采用液滴刻蚀外延生长技术制备周期性阵列量子点的方法，其特征在于，步骤5中所采用的iii族金属液滴为ga、in、al中的一种。9.根据权利要求1所述的一种采用液滴刻蚀外延生长技术制备周期性阵列量子点的方法，其特征在于，步骤6所述的量子点材料为gaas、inas、ingaas、ingaasp、gasb或algasb，其能带小于外延层及盖层材料带隙，以实现对载流子的三维限制，其晶格常数与外延层及盖层接近，以减小填充量子点的应力。10.根据权利要求1所述的一种采用液滴刻蚀外延生长技术制备周期性阵列量子点的方法，其特征在于，量子点材料的厚度为0.3-3nm；外延生长采用分子束外延或金属有机化合物气相沉积。
技术总结
本发明公开了一种采用液滴刻蚀外延生长技术制备周期性阵列量子点的方法，包括：S1.设置衬底材料，进行表面清洁处理；S2.在衬底材料上生长缓冲层，在缓冲层上生长外延层；S3.通过纳米图形化衬底工艺，在外延层制备周期性阵列的纳米空洞；S4.对具有纳米空洞的外延层进行进行氢原子辅助脱氧处理；S5.在脱氧后的外延层上对纳米空洞的位置定位沉积III族金属液滴，在高温下金属液滴向下刻蚀；S6.在刻蚀后的外延层上填充量子点材料；S7.在量子点和外延层上生长盖层，完成制备。本发明将液滴刻蚀引入量子点定位生长技术，通过对原有图形层的进一步刻蚀，以消除图形加工过程引入的缺陷和损伤，有利于减少量子点生长过程中引入的缺陷，提高量子点材料的性能。提高量子点材料的性能。提高量子点材料的性能。
