三维窄带隙半导体纳米结构的双光束超分辨激光直写加工研究

Advanced semiconductor manufacturing technology is the key for fabricating high performance optoelectronic devices at the micro and nano scale. The currently most used two-dimensional nanofabrication techniques like ultra-violate lithography provide fabrication resolution in the nanometer range. The major limitation of these techniques is their incapability of arbitrary three-dimensional nanofabrication. Direct laser writing (DLW) based on focusing through a high numerical-aperture objective is an ultimate approach to 3D nanofabrication. However, the diffraction nature of light prevents us from achieving sub-diffraction or nanometer resolution. This has stimulated the rapid development of far-field three-dimensional optical fabrication technology with a resolution beyond the diffraction limit. In this project, to develop a technology for three-dimensional fabrication of narrow bandgap semiconductor devices at the nanometer resolution, we propose a two-beam based photoinitianization and photoinhibition strategy to achieve far-field super-resolution three-dimensioal DLW. By investigating the photoinhibition effect for fabricating deveices made by differernt narrow bandgap semiconductors with two-beam DLW, we will realize two-beam DLW of three-dimensional nanodevices made by narrow bandgap semiconductors. This will provide an industry orientated semiconductor manufacturing technology with unparallel three-dimensional fabrication capability and resolution.

先进的半导体制造技术是制备各类光电微纳器件并提高其性能的关键技术。常见的深紫外光刻等二维加工技术，具有极高的分辨率，但却不具有三维纳米加工能力。常规的单光束激光直写技术具有优异的三维加工能力，但受限于光学衍射极限，很难实现与深紫外光刻等同等的加工分辨率。因此，如何突破衍射极限，实现远场超分辨的三维纳米光刻技术，成为当前研究的重要课题。本项目针对三维窄带隙半导体纳米器件的加工，拟采用双光束光激发-光抑制效应，实现远场超分辨的三维激光直写纳米加工。通过研究不同窄带隙半导体材料的光抑制效应，实现一类窄带隙半导体材料的双光束超分辨三维激光加工。为三维窄带隙半导体纳米器件在不同领域的应用提供一种实用的，与当前其他纳米制造技术相比具有显著优势的新型制造技术。

本项目针对三维窄带隙半导体纳米器件的加工，拟采用双光束光激发-光抑制效应，实现远场超分辨的三维激光直写纳米加工。通过研究不同窄带隙半导体材料的光抑制效应，实现一类窄带隙半导体材料的双光束超分辨三维激光加工。为三维窄带隙半导体纳米器件在不同领域的应用提供一种实用的，与当前其他纳米制造技术相比具有显著优势的新型制造技术。为此本项目从以下五个方面开展工作：第一、建立基于自底向上的方法，利用双光束激光直写加工三维窄带隙半导体纳米结构的物理模型，并利用模型开展理论计算工作。第二、构建一套小型集成化的双光束超衍射极限激光直写加工装置，在该装置上实现双光束三维硒化铅半导体纳米器件的加工。第三、双光束三维硒化铅半导体纳米器件的加工，测试其双光束超牙刷极限加工效果。第四、将双光束超衍射极限激光直写技术拓展到其他Ⅱ-Ⅵ族窄带隙半导体材料。第五、硅一元半导体材料的激光直写制造。本项目研究取得以下：第一、知识成果：首先，发展了一种具有普适性的一步合成和集成的半导体微纳器件制造方法，与传统的先合成后集成制造半导体纳米器件方法相比，本项目发展的方法在确保所制造的半导体纳米器件具有良好的发光等性能的前提下，实现一步合成与集成。其次，实现了毫秒量级的半导体纳米晶材料成核和生长。相比于传统的溶剂热生长方法，从成核到生长时间从原来的几分钟下降到毫秒，下降3-4个数量级，为极端条件下的半导体纳米材料制造提供了新的方法。最后，尝试了双光束超分辨激光直写制造半导体纳米材料以提高分辨率，实现了部分半导体纳米材料的制造分辨率的提高，发现了激光直写制造半导体纳米材料的中凹现象。第二、实物成果。搭建双光束超衍射极限激光直写装置两套，其中一套为飞秒激光配套连续激光；另一套为两台连续激光。小型的集成化的双光束超衍射极限激光直写装置在国内外尚属于先例，向商用此类设备的方向前进了一大步。第三、开发了基于数字代码的激光直写软件系统，大大简化了器件设计过程。