面向固態量子信息器件的可控半導體量子點製備方法

《面向固態量子信息器件的可控半導體量子點製備方法》是依託清華大學，由郝智彪擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：面向固態量子信息器件的可控半導體量子點製備方法
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：郝智彪
• 項目類別：面上項目

項目摘要

基於半導體量子點的固態量子器件是發展量子信息技術的關鍵，研製該類器件的基礎是發展可實現對量子點的位置、發光波長以及能級結構進行精確控制的量子點製備方法。本項目將研究基於微納加工技術的可控半導體量子點製備方法，創新性地提出利用化學處理和高溫處理等簡單易行的方法形成具有三維覆蓋層結構的量子點，並通過解決微納加工工藝對量子點發光動力學過程的影響機制、量子點能級結構及激子特性與量子點結構參數的關係、微納加工工藝對量子點結構特性的影響規律等關鍵科學問題，摸索出一套可獲得發光效率高且空間位置、發光波長可控的量子點製備方法，以期獲得具有自主智慧財產權的量子信息關鍵器件技術，促進我國量子信息技術的發展。

結題摘要

量子信息技術已取得了快速的發展，但固態量子器件仍很欠缺。基於半導體量子點的固態量子器件是量子信息技術的關鍵器件，亟需對量子點的位置、發光波長以及能級結構進行的精確控制。本課題的目標即研究可滿足量子器件要求的半導體量子點的可控制備方法。GaN基量子點激子束縛能大，有利於獲得室溫工作的器件，故本課題以此為研究重點。常用的S-K外延量子點方法難以精確控制量子點的特性。本課題分別發展了自頂向下和自底向上的軸向異質結納米線量子點可控制備方法。自頂向下方法獲得的單個納米線量子點的光致螢光譜（PL）半高全寬最窄可達0.4 meV，遠小於已報導結果；自底向上生長的納米線量子點發光波長在450~560nm之間可控，測得單個量子點的單雙激子發光譜。這些納米線量子點可用於單光子發射器件製作，達到了課題研究目標。課題以InGaN/GaN量子阱材料為基礎，利用納米刻蝕工藝製備納米線量子點。量子阱的組分和厚度的可控性較好，通過控制刻蝕納米線的尺寸可控制量子點特性。課題發展了以聚苯乙烯納米球和SiO2為刻蝕掩膜的自頂向下製作方法，通過最佳化工藝，製備出橫向尺寸最小可達26 nm的納米線。通過分析PL峰值能量的藍移，指出影響納米線量子點能級變化的主要因素是量子限制和應力釋放，並且應力釋放起主導作用。將具有不同參數的量子阱材料製備成納米線，結合陰極螢光譜，對納米線中的應力釋放機制進行了研究。利用變溫陰極螢光測試，分析表面缺陷在納米線表面引入載流子捕獲中心，其耗盡效應影響量子點的發光特性。課題利用分子束外延技術，發展了Si襯底上GaN納米線的生長技術。通過控制襯底氮化、生長溫度、Ga束流等條件，得到直徑在20~40nm可控的GaN納米線。在GaN納米線之上，進一步生長獲得了GaN/InGaN/GaN軸向異質結納米線量子點，InGaN量子點的直徑、高度、組分可由生長條件控制。課題利用多種評測手段詳細分析了納米線量子點的尺寸、組分、應力等結構特性和激子發光特性，以及這些因素的相互影響關係。綜上所述，本課題分別發展了基於納米刻蝕技術和分子束外延的GaN/ InGaN/GaN軸向異質結納米線量子點製備方法，量子點發光波長可控，發光質量優良，為研製固態量子器件奠定了基礎。