CN102916343A - 一种量子点材料的制作装置及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种量子点材料的制作装置和制作方法，该制作装置通过在现有的外延装置中添加了可以产生干涉图像的光学装置，使得衬底在进行外延的同时，在外延层上施加一个干涉图像。通过该干涉图像，在外延层上形成一个规则分布的温度场，使得外延层在温度较高的点位上开始形成原子聚集现象，而在温度相对较低的区域则没有原子聚集。如此一来，根据外延表面温度的分布情况，就能人为的控制量子点产生的位置而不引入缺陷，实现一种无缺陷的长程有序的量子点制作。

Description

一种量子点材料的制作装置及制作方法
技术领域
本发明涉及低维半导体材料的制造技术领域，尤其涉及一种量子点半导体材料的制作装置和制作方法。
背景技术
半导体量子点低维纳米结构材料由于其独特的电子结构和态密度，呈现出优异的光电特性，在未来纳米电子学，光电子学，生命科学和量子计算等领域有着极其广泛的应用前景。理论分析表明，量子点激光器在很多方面要比量子阱激光器具有更优越的性能。如更高增益、更低阈值电流、更高量子效率及热稳定性更好等。此外利用量子点电子的“遂穿”效应，可以精确控制进入或离开量子点电子数目至单电子精度，从而可制作单电子晶体管。量子点还有望应用于固态量子计算、垂直入射光探测器等。
S-K模式自组织生长是目前国内外科学家研究最多的，且具有重要应用价值的量子点材料制备方法。其主要原理如下：不同于衬底晶格常数的半导体材料在分子束外延(Molecular Beam Epitaxy；MBE)等外延生长过程中，生长方向的晶格常数不同于衬底平面，这样就会产生晶格应力。应力积聚到一定的程度就会通过表面原子迁移和聚集，或者产生失配位错，来释放这些应力。前者聚集成堆的原子团在生长过程中将长大并被掩埋在随后生长的外延材料中，形成量子点。由于应力释放需要而形成的初始原子团，就是量子点生长的“种子”，随后的量子点就是这些“种子”长大形成的。而这些“种子”的形成是热力学统计涨落的结果，其形成位置、速度和大小完全是随机的。这就是所谓量子点的S-K动态随机生长机制。
如图1A所示。目前应用于器件的量子点都是如图1A的S-K模式外延生长模式生长的“无序”自组织生长(动力学随机生长)的量子点。优点是无缺陷，可以用于实际器件的制备，并且被证明性能明显优于同类器件的其它材料。然而，许多关键参数，诸如：量子点的尺寸和空间分布是随机的和不可控的，可重复生产性差，难以实现产业化。如此生长的量子点无法用来制备量子信息器件，即使从规模器件工艺制备的大量器件中有幸发现少量能工作的器件，其各个器件的性能也会有很大的差别。这种“无序”量子点由于增益谱太宽，也很难制备比较大功率的激光器。图1B中“短程有序”的量子点是通过在原位向衬底喷射刻蚀气体，在衬底表面刻蚀出一些微孔，然后再在这些微孔的位置生长出量子点双胞胎，与“无序”自组织的量子点相比，有一定的有序性，然而在刻蚀气体刻蚀出的微孔里会有很多刻蚀缺陷，这些缺陷会在生长量子点的过程中被保留甚至放大。图1C中“长程有序”的量子点是通过事先将衬底用常规纳米制造技术，刻蚀出纳米图样模板，然后再在这个模板上外延生长量子点。常规纳米结构化引入的缺陷无论从大小还是规模都比刻蚀气体刻蚀出微孔而引发的缺陷要大。“短程有序”和“长程有序”的量子点里的缺陷都使其制备的器件无法工作。
因此，如何制备大面积长程有序分布的无缺陷或低缺陷密度的量子点成为了目前半导体低维纳米结构材料的前沿和热点研究领域。
发明内容
有鉴于此，本发明了提出一种制作量子点材料的装置和方法，可以在进行外延的过程中，即时的控制量子点的生长位置，不仅可以制作出长程有序的量子点材料，而且因为无需对衬底进行任何刻蚀处理，因此不会引起因刻蚀而带来的缺陷问题。
根据本发明的目的提出的一种量子点制作装置，包括外延装置以及用于产生干涉图像的光学装置，所述外延装置包括生长室，所述生长室为真空腔室，用于放置一衬底材料，该生长室腔壁上设有可供光线射入的多个窗口，所述光学装置包括激光光源和调制光路，光束从激光光源射出后，经所述调制光路分成多束光，该多束光分别通过所述多个窗口后射入生长室中，并在所述衬底材料表面形成干涉图像。
可选的，所述多个窗口为三个，各自等间距的分布在所述生长室的腔壁四周。
可选的，所述光束从激光光源射出后，经调制光路分成三束光，该三束光分别通过上述三个窗口后射入生长室中，并在衬底材料表面形成三光束干涉图像。
可选的，所述多个窗口为四个，各自等间距的分布在所述生长室的腔壁四周。
可选的，所述光束从激光光源射出后，经调制光路分成四束光，该四束光分别通过上述四个窗口后射入生长室中，并在衬底材料表面形成四光束干涉图像。
可选的，所述激光光源为脉冲激光光源。
根据本发明的目的同时提出的一种量子点材料的制作方法，采用上述的量子点材料制作装置进行制作，包括步骤：
1)将一衬底材料装载到生长室中，对生长室进行抽真空；
2)对衬底加热，使衬底维持在第一温度下，并开始用外延方法在所述衬底表面沉积一外延层；
3)控制沉积速率，使沉积在衬底材料表面的外延层厚度达到第二厚度，所述第二厚度小于第一温度下的临界厚度；
4)打开激光光源，在外延层表面形成一干涉图像，所述干涉图像使得外延层的部分区域温度升高至第二温度，该第二温度下的临界厚度小于第二厚度；
5)撤掉干涉图像后，继续沉积外延层，最终在外延层表面形成量子点。
可选的，所述干涉图像为周期性点阵，在该周期性点阵的干涉加强区，外延层的温度升高至第二温度。
通过在现有的外延装置中添加了可以产生干涉图像的光学装置，使得衬底在进行外延的同时，在外延层上施加一个干涉图像。通过该干涉图像，在外延层上形成一个规则分布的温度场，使得外延层在温度较高的点位上开始形成原子聚集现象，而在温度相对较低的区域则没有原子聚集。如此一来，根据外延测表面温度的分布情况，就能人为的控制量子点产生的位置，实现一种长程有序的量子点制作方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1A-1C分别为现有的量子点材料上的量子点分布图；
图2是利用三光束干涉产生的干涉图像的温度分布图；
图3是本发明的第一实施方式的制作量子点材料的装置；
图4是本发明的第二实施方式的制作量子点材料的装置；
图5是本发明量子点材料制作方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
正如背景技术部分所述，多数量子点器件都要求量子点材料本身是无缺陷(或低缺陷密度)、尺寸和空间分布有序、均匀。而现有的制作量子点的外延方法中，采用S-K模式自组织生长方式形成的量子点，由于其生长过程呈现随机性，因此以这种方式取得的量子点的分布是无序的。而通过在衬底材料表面制作规则图形后生长的量子点，虽然具有一定范围内的长程有序，但是在制备过程中，容易导致基体损伤并产生大量的晶体缺陷，大大影响了量子点的光电特性。
有鉴于此，本发明提出了一种量子点材料的制作方法。该制作方法利用在外延生长膜层的同时，在膜层表面施加一个规则分布的温度场，使得膜层表面温度较高的点位比在其它温度较低的区域更快的产生原子聚集的效应，量子点的“种子”在温度场的引导下，形成规则的分布，从而制作出长程有序的量子点材料。
为了便于理解，下面先对本发明的技术方案所依据的原理做简单介绍。
在量子点的形成过程中，外延生长经历了两个阶段：“种子”形成前衬底平面上原子层逐层生长的二维(2D)模式，“种子”形成时和随后的量子点生长的三维(3D)模式(因为量子点突出于生长平面)。从2D到3D的生长的临界点时的原子层厚度叫临界厚度。
已有大量试验表明，温度是影响量子点分子束外延(MBE)生长过程中临界厚度的一个关键因素，以在GaAs衬底外延生长InAs层为例，低温(低于430℃)时的临界厚度是高温(高于460℃)时临界厚度的2.5倍以上。也就是说，在不同温度下，产生原子聚集效应所需要的膜层厚度是不一样的。往往在低温环境下所需要的临界厚度要比高温环境下的大，且这里的低温和高温只是一个相对的概念，两者之间从几十度到几百度都是有可能的。
根据上述原理，如果能在衬底上生长外延层的同时，在外延层表面形成温度不一的规则分布，使部分区域的温度达到形成第一临界厚度需要的相对较高温度，而其它部分区域的温度只达到形成第二临界厚度需要的相对较低温度。那么可以预见，当外延层的厚度达到第一临界厚度且小于第二临界厚度时，则在相对较高温度的区域便已开始有原子集聚，而在相对较低温度的其它区域还不足以使原子开始集聚。如此一来，通过温度的变化便能人为的引导量子点的产生区域，使量子点产生具有规则的长程有序分布。
因此，本发明的关键在于如何在外延层上提供规则分布的温度场。
直写激光干涉光刻(direct writing laser interference lithography：DW-LIL)技术是无掩模、可直接刻写、高效率(立等可取)、图案(电脑)程控变换、无沾污、无接触、大面积、低成本和环境要求低的创新技术。激光干涉光刻的基本原理是利用两束或两束以上的相干激光叠加照射在样品表面，产生干涉图样。叠加区域的电场为各相干光束电场的矢量和，不同的电场分布对应着不同的干涉图样。由双光束干涉引起的干涉图像为明暗相间的条文状图像，而由三光束干涉或四光束干涉引起的干涉图像则为六方体或四方体形状的周期性点阵。
通常情况下，直写激光干涉光刻是利用干涉图像的光学性质，使光敏材料在干涉加强区即出现明亮条文或明亮斑点的地方发生变异，从而在材料表面形成刻蚀图样。有一些特殊的应用中，也可以直接利用激光光束的高热量对材料表面进行破坏性打孔从而形成表面图形的。在这种情况下，干涉图像的温度分布就显得极为重要。请参见图2，图2是利用四光束干涉产生的干涉图像的温度分布图。如图所示，温度最高的区域与温度最低的区域之间温度差超过1000℃以上。这说明，通过调节光源激光器的功率，可以实现温差从0到1000℃以上的周期性温度调制场。因此利用激光的多光束干涉图像，可以实现一个规则的、温度变化范围极广的温度场，从而解决本发明的温度控制。
下面将结合附图对本发明的实施方式做具体的说明。
请参见图3，图3是本发明的第一实施方式的制作量子点材料的装置。如图所示，本发明的量子点制作装置10，包括外延装置110以及用于产生干涉图像的光学装置120。外延装置110包括生长室101，所述生长室101为真空腔室，衬底材料200放置在该在生长室101中。该生长室101腔壁上设有多个可供光线射入的窗口111，由于在本实施方式中，采用的是三光束干涉，因此此处的窗口111为3个，且各自等间距的分布在生长室101的腔壁四周，使得3束光线分别经过该三个窗口111后，以两两间隔120度汇聚在一起形成三光束干涉图像。
光学装置120包括激光光源121和光路122。在光路122中设有各种调节和调制光路用的光学元器件，比如准直透镜组、缩放透镜组以及分光器件。其中分光器件可以是分光棱镜、分光光栅、二元光学元件等。光束从激光光源射出后，经光路122分成三束光，该三束光分别经由两个反射镜123、123’后，从窗口111中射入生长室101，并在衬底材料表面200上形成干涉图像。
进一步的，在进行分子束外延生长过程中，往往需要对原子的生长过程进行监控，因此在生长室101的外部还设有反射高能电子衍射(RHEED)装置，该反射高能电子衍射(RHEED)装置包括电子束发射枪112以及衍射显示窗口113。其中，衍射显示窗口113设置在生长室101的腔壁上，该衍射显示窗口113显示电子束衍射图像，当外延层表面出现不平整时，衍射图像就呈现出相应的变化。
请参见图4，图4是本发明的第二实施方式的制作量子点材料的装置。在该实施方式中，由于采用四光束干涉，因此其生长室201腔壁上的光线射入窗口211也增加至4个，且各自等间距的分布在生长室201的腔壁四周，使得4束光线分别经过该四个窗口211后，以两两间隔90度汇聚在一起形成四光束干涉图像。其他与第一实施方式相同之处不在做展开描述。
请参见图5，图5是本发明量子点材料制作方法流程图。如图所示，该制作方法包括步骤：
S11：首先将一衬底材料装载到生长室中，对生长室进行抽真空。
S12：对衬底加热，使衬底维持在第一温度下，并开始利用外延方法在衬底表面沉积一外延层。其中所述外延层具有与衬底材料不同的晶格常数，在所述第一温度下，该外延层为释放晶格应力而产生的原子聚集效应的临界厚度为第一厚度。
所述外延方法为分子束外延或者金属有机化合物化学气相淀积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)。
S13：控制沉积速率，使沉积在衬底材料表面的外延层厚度达到第二厚度，所述第二厚度小于第一厚度。此时，外延层尚未开始产生原子聚集。
S14：打开激光光源，在外延层表面形成一干涉图像。所述干涉图像为周期性点阵，在该周期性点阵的干涉加强区，即光亮点处，外延层的温度升高至第二温度。在该第二温度下，外延层为释放晶格应力而产生的原子聚集效应的临界厚度为第三厚度，所述第三厚度小于此时的外延层厚度，即第二厚度。
此时，在光亮点处的外延层表面，因厚度已经达到需要释放晶格应力的临界厚度，因此在这些区域瞬间出现原子的聚集现象，表现为由原先平整的单分子层表面出现一个个原子团，这些原子团即为以后生长量子点所需的“种子”。此时若观察电子衍射屏，会看到电子衍射图像会出现明显的变动，这是因为原先平整的外延层表面出现了一个个凸点，电子束打到这些凸点上时，就会出现比较明显的衍射现象。
S15：撤掉干涉图像后，继续沉积外延层。此时，尽管外延层的厚度会因不断增加而超过第一厚度，但是，由上一步骤中产生的原子聚集处已经提供了整个外延层表面释放晶格应力所需的“窗口”，因此在这些称为“种子”的地方会随着外延层厚度的增长也不断生长，并最终在外延层表面形成量子点。
值得一提的是，在本发明中使用的激光光源，最好是短脉冲形式的激光光源。因为形成的干涉图像中，亮点与亮点之间的距离通常非常近，仅有百纳米级的宽度，因此如果加热时间长，很容易因热传导，使得周围所有区域的温度也上升，这样就无法实现具有明显温度差的温度场。而在短脉冲激光光源的作用下，由于一个脉冲的时间非常短，远远小于热扩散所需的时间，因此可以保证外延层表面的温度分布与干涉图像之间的对应关系。
综上所述，本发明提供一种制作量子点材料的制作方法和装置，该装置在现有的外延装置中添加了可以产生干涉图像的光学装置，使得衬底在进行外延的同时，在外延层上施加一个干涉图像。通过该干涉图像，在外延层上形成一个规则分布的温度场，使得外延层在温度较高的点位上开始形成原子聚集现象，而在温度相对较低的区域则没有原子聚集。如此一来，根据外延层表面温度的分布情况，就能人为的控制量子点产生的位置，实现一种长程有序的量子点制作方法，该方法生长的量子点与光滑表面S-K生长模式的生长机理是一样的，因而可以实现无缺陷生长。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种量子点材料制作装置，其特征在于：包括外延装置以及用于产生干涉图像的光学装置，所述外延装置包括生长室，所述生长室为真空腔室，用于放置一衬底材料，该生长室腔壁上设有可供光线射入的多个窗口，所述光学装置包括激光光源和调制光路，光束从激光光源射出后，经所述调制光路分成多束光，该多束光分别通过所述多个窗口后射入生长室中，并在所述衬底材料表面形成干涉图像。
2.如权利要求1所述的量子点材料制作装置，其特征在于：所述多个窗口为三个，各自等间距的分布在所述生长室的腔壁四周。
3.如权利要求2所述的量子点材料制作装置，其特征在于：所述光束从激光光源射出后，经调制光路分成三束光，该三束光分别通过上述三个窗口后射入生长室中，并在衬底材料表面形成三光束干涉图像。
4.如权利要求1所述的量子点材料制作装置，其特征在于：所述多个窗口为四个，各自等间距的分布在所述生长室的腔壁四周。
5.如权利要求4所述的量子点材料制作装置，其特征在于：所述光束从激光光源射出后，经调制光路分成四束光，该四束光分别通过上述四个窗口后射入生长室中，并在衬底材料表面形成四光束干涉图像。
6.如权利要求1所述的量子点材料制作装置，其特征在于：所述激光光源为脉冲激光光源。
7.一种量子点材料的制作方法，采用如权利要求1至6中任意一项所述的量子点材料制作装置进行制作，其特征在于，包括步骤：
1)将一衬底材料装载到生长室中，对生长室进行抽真空；
2)对衬底加热，使衬底维持在第一温度下，并开始用外延方法在所述衬底表面沉积一外延层；
3)控制沉积速率，使沉积在衬底材料表面的外延层厚度达到第二厚度，所述第二厚度小于第一温度下的临界厚度；
4)打开激光光源，在外延层表面形成一干涉图像，所述干涉图像使得外延层的部分区域温度升高至第二温度，该第二温度下的临界厚度小于第二厚度；
5)撤掉干涉图像后，继续沉积外延层，最终在外延层表面形成量子点。
8.如权利要求7所述的量子点材料的制作方法，其特征在于：所述干涉图像为周期性点阵，在该周期性点阵的干涉加强区，外延层的温度升高至第二温度。
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