CN108751254A - 原位无损剥离量子点的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种原位无损剥离量子点的方法，包括以下步骤：将表面负载有量子点的衬底升温至量子点的临界脱附温度，其中，量子点为Ⅲ‑Ⅴ族量子点，衬底的材质为Ⅲ‑Ⅴ族化合物，所述量子点的键能低于衬底中化合物的键能；然后向量子点施加脉冲激光，使得量子点中的原子受激发后从所述衬底表面原位无损剥离。本发明的方法可有效避免目前主流剥离方法中存在的氧化，污染，材料破坏，耗时以及不经济等问题。

Description

原位无损剥离量子点的方法

技术领域

本发明涉及量子点剥离技术领域，尤其涉及一种原位无损剥离量子点的方法。

背景技术

量子点的生长主要是基于分子束外延(MBE)技术。分子束外延技术的可控性对于量子点的发展具有极其重要的推动作用。在实验过程中剥离量子点是分子束外延技术可控措施的重要一步。

在分子束外延技术的初期，科学家常利用升高衬底温度从衬底表面进行热蒸发，以实现量子点的剥离，该方法可以实现大面积剥离，并且操作简单。但是值得注意的是高温剥离无法精确控制剥离区域，限制了该项技术的使用广度；同时温度的控制对高温剥离极为重要，温度的均匀性会影响量子点剥离的均匀性，最终影响材料表面量子点结构分布的均匀性，温度选择的合理性，直接导致材料损伤与否；此外剥离效率也是一个技术难题。这些难题都致使这项技术并不适合工业化生产制造。

随着时代的不断发展，多种材料剥离技术应运而生，其中可应用于量子点的剥离方法主要可以分为湿法剥离和干法剥离两大种类。

湿法剥离是使用化学方法有选择地从材料表面去除不需要部分的过程。其基本目的是在涂胶的材料表面正确复制掩膜图形。利用合适的化学试剂先将未被光刻胶覆盖的材料表面部分分解，转化成可溶的化合物，而有图形的光刻胶层在刻蚀中不受到化学试剂的显著腐蚀，从而达到剥离材料表面的目的。湿法剥离的好处在于可以借助化学试剂的选取、配比和温度的控制等来达到合适的剥离速率和良好的剥离选择比，并且设备简单。但是这种借助化学试剂和材料的化学反应达到剥离目的的技术，因为化学试剂的引入和非原位的操作，不可避免地造成对量子点的严重污染，极大地降低了量子点的性能。

干法剥离以等离子体剥离技术为代表，主要包括反应离子剥离(RIE)、电子回旋共振等离子体剥离(ECR)、感应耦合等离子体(ICP)等多种干法剥离方法。值得注意的是等离子体剥离是一种物理作用和化学作用共存的剥离工艺，兼有离子物理轰击溅蚀和化学反应腐蚀的优点，不仅分辨率高，而且剥离速度快。其剥离机理在于通过射频辉光放电，反应气体被击穿，产生等离子体。等离子体中包含正、负离子，长短寿命的游离基和自由电子，这些被加速的高能粒子可对剥离材料表面进行轰击从而溅蚀材料。同时，等离子体与材料表面会发生化学反应，生成可挥发的剥离产物，以达到剥离材料的目的。但是，考虑到材料的各向异性，在较低离子能量下，化学反应不仅向下而且向材料表面两侧刻蚀，对器件加工很不利；等离子轰击方向的涨落会严重降低剥离的选择比。

此外，以上常用的两种剥离技术都是非原位处理样品，给材料表面带来不利的影响，不仅操作繁杂，而且避免不了给材料带来氧化或者污染等问题，严重降低材料性能。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种原位无损剥离量子点的方法，本发明的方法可有效避免目前主流剥离方法中存在的氧化，污染，材料破坏，耗时以及不经济等问题。

本发明提供了一种原位无损剥离量子点的方法，包括以下步骤：

将表面负载有量子点的衬底升温至量子点的临界脱附温度，其中，所述量子点为Ⅲ-Ⅴ族量子点，所述衬底的材质为Ⅲ-Ⅴ族化合物，所述量子点的键能低于衬底中化合物的键能；然后向量子点施加脉冲激光，使得量子点中的原子受激发后从所述衬底表面原位无损剥离。

进一步地，以上方法在分子束外延(MBE)系统中进行。

进一步地，分子束外延系统中充满Ⅴ族气体，Ⅴ族气体的气压为8.0×10^-6到8.0×10^-7Torr。

进一步地，量子点为InAs量子点，衬底的材质为GaAs；或

量子点为InSb量子点，衬底的材质为AlSb、GaSb、AlAs或GaAs；或

量子点为InN量子点，衬底的材质为AlN或GaN。

进一步地，临界脱附温度为510-530℃。

优选地，量子点为InAs量子点，衬底的材质为GaAs。此时MBE系统中的Ⅴ族气体为砷(As)气。砷压为8.0×10^-6到8.0×10^-7Torr。

进一步地，脉冲激光的脉宽为纳秒级。

进一步地，脉冲激光的波长为355nm，脉宽为10ns。

进一步地，脉冲激光的能量为10-20mJ。

参见图1-2，以量子点为InAs量子点，衬底为GaAs为例，本发明的方法，首先将样品升温至InAs量子点的临界脱附温度，由于InAs量子点的键能低于衬底中GaAs的键能，因此在此温度下，能量非常接近In原子的真空能级势垒位置，此时In原子处于临界剥离的能量状态而Ga原子仍然远低于其真空能级能量，从而处于非常稳定的状态。

再向InAs量子点表面辐照低能量的脉冲激光，由于In原子已经处于临界剥离的能量状态，所以可以将脉冲激光能量设置得很低(远低于材料烧蚀阈值)，即可以使In原子受激离开材料表面，而脉冲激光对衬底中Ga原子的影响可几乎忽略，其能量不足以使Ga原子达到真空能级势垒位置，最终实现在GaAs衬底表面无损剥离InAs量子点，仅留下GaAs表面。

图2中，1代表InAs量子，2代表衬底，即GaAs。此外，本发明中，含有量子点的衬底的结构不仅局限于图2中的双层结构，在其基础上，还可以作若干变型，如在衬底下方或上方增设其他功能层。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

本发明的方法，在达到临界脱附温度的量子点表面即时原位引入脉冲激光，在减少材料受到外界污染的同时，材料的晶化作用会抑制激光导致的缺陷；合理控制激光能量以及生长温度，可以降低材料表面各向异性的影响、避免材料损伤以及控制材料表面剥离的效果；控制激光引入点以及光斑形状尺寸，可以控制剥离区域分布，也是对制造空间分布有序量子点的合理尝试。同时本发明利用激光原位剥离量子点，在生产中具有加工高效、成本低廉等优势，对于其实际应用具有良好的推动作用。

总的来说，本发明具有极广的适用性以及后续发展的潜能性。区别于传统的剥离技术，本发明可以根据需求实现对量子点的定区域剥离，甚至是控制剥离区域的尺寸和形状以达到量子点区域逆生长等其他特殊目的。而更加深远的影响在于，在本发明的前提下，可以通过控制激光场的周期性分布，来实现材料的区域周期性分布。这对于微纳制造、加工等领域的发展具有革命性的先导作用。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明方法中，InAs/GaAs量子点材料表面能变化示意图；

图2是本发明方法中，脉冲激光原位无损剥离InAs/GaAs量子点的原理示意图；

图3是未引入脉冲激光前的InAs/GaAs量子点形貌测试图；

图4是引入脉冲激光后的InAs/GaAs量子点形貌测试图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

将待剥离的InAs/GaAs量子点样品(即InAs量子点分布于GaAs膜形成的衬底表面)在MBE生长室里且在富As氛围的前提下升温至InAs临界脱附温度。本实施例中，砷压设置为8.0×10^-7Torr，临界脱附温度为525℃。如图3所示，待剥离的量子点样品的AFM测试结果表明GaAs衬底表面已成功生长出一定密度的InAs量子点(白色点状物)。

随即引入一发单脉冲激光辐照样品表面，其中激光波长为355nm，脉宽10ns，激光能量10mJ。经激光辐照后的样品表面如图4所示，我可以看到InAs量子点已经被剥离干净(白色点状物已消失)，只留下平整的GaAs原子层台阶流表面。结果证明，本发明的方案可实现InAs量子点的无损剥离。

本实施例中，将待剥离的InAs/GaAs量子点在超高真空的MBE外延设备中且在富As的氛围条件下升温至InAs临界热脱附的温度点，以使得In原子处于非常活跃的状态，从而达到“只要外界一个非常小的能量(注入)微扰后，InAs就能彻底分解离开GaAs表面，且不会对衬底产生任何损伤”的效果；另外“富As环境”可进一步避免能量注入时引发的潜在“富Ga过程”对表面质量的影响。

然后在MBE超高真空外延系统上，直接原位引入纳秒脉冲激光辐照InAs量子点，其中“纳秒脉冲激光”的选择，保证了激光作用量子点时的瞬时性以及局域性，进一步减小了多余能量往下传输对GaAs衬底的破坏风险，同时“MBE原位”的选择，除了能有效避免氧化、污染等问题，而且能无缝实时对接目前最主流的InAs/GaAs量子点的制备工艺。

实施例2

按照实施例1的方法在剥离InAs/GaAs量子点样品中的InAs量子点，区别在于砷压设置为8.0×10^-6Torr，临界脱附温度为510℃，单脉冲激光的激光能量为15mJ。

实施例3

按照实施例1的方法在剥离InAs/GaAs量子点样品中的InAs量子点，区别在于砷压设置为8.0×10^-7Torr，临界脱附温度为530℃，单脉冲激光的激光能量为20mJ。

此外，按照上述方法，还可以选择不同的量子点体系，如InSb/AlSb量子点、InSb/GaSb量子点、InSb/AlAs量子点、InSb/GaAs量子点、InN/AlN量子点或InN/GaN量子点体系，“/”之前的为量子点，“/”之后的为衬底材料，对量子点体系中真空能级势垒较低且键能较低的量子点进行剥离，具体临界脱附温度设置以及脉冲激光参数的选择根据所需剥离的量子点的能量进行设置。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种原位无损剥离量子点的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将表面负载有量子点的衬底升温至量子点的临界脱附温度，其中，所述量子点为Ⅲ-Ⅴ族量子点，所述衬底的材质为Ⅲ-Ⅴ族化合物，所述量子点的键能低于衬底中化合物的键能；然后向所述量子点施加脉冲激光，使得量子点中的原子受激发后从所述衬底表面原位无损剥离。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：该方法在分子束外延系统中进行。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述分子束外延系统中充满Ⅴ族气体，所述Ⅴ族气体的气压为8.0×10^-6到8.0×10^-7Torr。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述量子点为InAs量子点，所述衬底的材质为GaAs；或

所述量子点为InSb量子点，所述衬底的材质为AlSb、GaSb、AlAs或GaAs；或

所述量子点为InN量子点，所述衬底的材质为AlN或GaN。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述临界脱附温度为510-530℃。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述量子点为InAs量子点，所述衬底的材质为GaAs。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述脉冲激光的波长为355nm，脉宽为10ns。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述脉冲激光的能量为10-20mJ。