原位图形化应力场诱导自组织生长周期性量子点的研究

To fabricate quantum dots in order is of great importance. However, currently the most wide-used Pattern Substrate could hardly provide quantum dots of perfect quality. A promising solution of “MBE self-assembling periodic quantum dots guided by in situ patterning stress-field” was proposed in this research project——First a thin high-strained layer of InGaAs/GaAs quantum well (superlattice) obtained by MBE was served as a uniform-distributed stress field; Then the stress was selective-released by in-situ Laser-interference exposure to form a pattern- stress field; Finally the periodic quantum dots were coherent-grown on such kind of stress pattern. This novel technology of “in situ patterning stress-field in MBE” could be free of material-damage and pollution which were convincingly regarded as the principle problem during the traditional pattern substrate process. Hence, it could produce quantum dots with a good combination of site-controllability and crystal-quality and the whole process would be quite simplified, low-cost and high-effective. . In conclusion, this project would probably develop an innovative technology to realize the industrialization of perfect quantum dots (good crystal-quality, precise site-controlled, uniform size-distributed ).

量子点的有序生长具有极其重要的意义，然而目前该领域最广泛采用的图形衬底方法很难获得高质量的量子点材料。本项目提出一种在MBE系统上原位图形化应力场诱导自组织生长周期性量子点的技术方案——首先利用分子束外延生长出一层应变InGaAs/GaAs量子阱（超晶格）的薄层，从而提供一个高应变、均匀的原始应力场；接着借助激光干涉原位诱导应力调制弛豫实现应力场的图形化；最后基于图形应力耦合诱导自组织生长周期性的量子点。. 凭借项目中“原位图形化应力场”这一创新思路，不仅能有效避免传统衬底图形化时对材料的破坏和污染等问题，有望解决目前量子点制备领域中存在的材料晶体质量与可控生长之间不可兼得的这一根本科学难题，同时将使得整个有序量子点的制备工艺变得极其简单、低廉和高效。因而本项目极有可能为真正实现“无缺陷、均匀、可控的完美量子点产业化”提供一项革命性的技术！

半导体量子点在未来量子计算以及量子通讯领域具有极其重要的应用前景，而实现量子点高质量地有序生长是目前阻碍相关应用最重要的技术难点。为了探索无缺陷量子点有序生长的新方法，本课题提出利用原位激光干涉辐照诱导应变InGaAs/GaAs多量子阱产生图形化弛豫以实现InAs量子点有序成核的解决方案。通过我们对InGaAs/GaAs多量子阱应变层的“应力光致弛豫”调控研究发现：低激光能量辐照时将引发应变层顶上GaAs表面一定程度的光致As脱附现象，由于其仍可很好维持原来表面物性，故属可逆过程。但此时的激光能量仅局限于表面，无法往下有效作用于InGaAs层。当继续提高激光能量，则将引发不可逆的光致As脱附，该效应将直接导致应变层表面富镓化。如想在量子点生长前预先改善表面，至少需将温度升高至550℃以上。然而该退火温度又远超过了InGaAs应变弛豫的最高耐受温度（520℃）。故研究证实：利用激光原位调制InGaAs/GaAs应变多量子阱时将强烈受制于顶上GaAs盖层表面光致As脱附效应，存在着难以回避和克服的技术原理问题。基于此，本课题及时将图形化对象改用为InAs量子点成核前的浸润层。调整后发现：InAs浸润层（0.9原子层）经四光束单脉冲干涉曝光后将出现高度仅为0.6-0.9埃（亚纳米尺度）并呈周期性分布的二维点阵图形，且点阵之间的平台区域完美保留了清晰的原子层台阶形貌，这说明激光图形化过程几乎对材料表面“零损伤”。当继续沉积1个原子层的InAs后，原来的浸润层点阵就会自发消失，周期性的量子点点阵将取而代之。该研究证实：我们成功发现和创造了一种全新的“图形衬底技术”，相比项目原始的图形化InGaAs/GaAs多量子阱方案，这种浸润层点阵图形结构可凭借其自发的再平整效应，使获得的周期性量子点就像直接利用SK在光滑表面生长一样，更是避免了原方案在量子点下面引入寄生的量子阱结构，大大超出了项目原始的预期研究目标。因此，完全有望通过后续的研究推进，使其发展成为下一代有序量子点成核的完美解决方案。