激光干涉纳米图形衬底制备高均匀性量子点的方法研究

The density of energy states (DOS) of quantum dot is a series of separated delta functions, which is why quantum dot are also called "artificial atoms". Quantum dots are wildly used for their unique charaters. High quality dislocation-free quantum dots can be obtained by self-organized epitaxy method, however, the shape, size and location of quantum dots are inhomogeneously distributed, which broadens the DOS distribution of the entire quantum dots ensemble and limits quantum dots applications. So a large-area fabrication method for high uniformity quantum dots ensembles is urgently needed. Selective growth on patterned substrates is an alternative method to grow quantum dots. The quantum dots can be adjusted by controlling the pattern parameters. But how to make large-area nano-patterns has been the major problem. Laser-interference-photolithography has several advantages such as large-area, high-resolution and low-cost, so it's suitable for producing patterned substrate for high uniformity quantum dots epitaxy. In this program, several key science issues will be studied including the optical control in large-area high-stability high-resolution laser-interference-photolithography system, the growth kinetics in nano semiconductor crystals on patterend substrates, and the carrier behaviors in high uniformity quantum dots ensembles.

量子点的能态密度为一系列的分立函数，类似于原子光谱性质，因而被人们称为"人工原子"，获得了广泛的应用。目前制作半导体量子点所广泛采用的自组织生长方法虽然可以获得高质量无位错的量子点，但是其生长的随机性导致量子点的形状、尺寸和位置分布不均匀，这导致了整个量子点体系的能态密度分布被不均匀展宽，使得量子点的优异性难以得到体现，因此迫切需要一种高均匀性量子点的大面积制造方法。图形化衬底上的定位量子点生长方法可以通过对图形的结构参数控制实现对量子点的生长调控，但一直缺乏制备大面积纳米图形的有效手段。激光干涉光刻具有大面积、高分辨、低成本等特点，十分适合于高均匀性量子点材料的图形化衬底制作。本项目将围绕大面积高稳定性高分辨激光干涉系统中的光学调控、图形衬底上纳米级半导体晶体的生长动力学控制、高度均一量子点体系中的载流子特性等关键科学问题开展纳米图形衬底制作、量子点生长和物性等方面的研究。

首先对多光束干涉光刻图形的过程进行仿真模拟，理论分析对图形分辨率产生影响的可能因素，获得了产生高质量纳米图形的最佳光学配置方案；然后结合理论仿真的结果，对现有的激光干涉光刻系统进行一定的优化，并通过具体的实验过程获得了高分辨率高稳定性的激光干涉光场分布。在搭建的激光干涉光刻系统中研究涂覆光刻胶样品的曝光过程，并利用显影、腐蚀、烘烤等具体工艺过程完成纳米图形的转移，获得具有纳米结构图形的半导体衬底材料，实现了大面积、高均匀性的纳米图形结构的制备。在此基础上，我们结合多层胶结构和反转剥离技术制作出了高质量的金属纳米线结构，和传统的电子束曝光相比，激光干涉曝光更加高效，成本更低，这将推动金属纳米线在光电子器件领域的大规模应用。另一方面，我们结合干法刻蚀技术，在GaN基LED表面制作出了纳米锥形的二氧化硅钝化层，大大提高了LED的光输出功率，而且反向漏电流也大大降低，证明这种图形化钝化层技术能够同时提高LED的光学和电学性能。此外，我们还研究了量子点在LED、太阳能电池以及光电探测器领域的应用。我们采用了一种混合量子阱结构，使靠近P极的量子阱中的InGaN量子点得到了很好的保留，相比于缺陷形成的非辐射复合发光中心，LED中的载流子更倾向与被这量子点捕获进而辐射发光复合，这些小尺寸的量子点能够阻止电子空穴波函数的分离，部分减轻量子限制斯塔克效应的影响，从而大大提高了LED的发光效率。在太阳能电池和光电探测器方面，我们研究了pn结中InAs量子点光生载流子的输运过程，发现在pn结短路的情况下大多数光生载流子将直接逃离量子点形成光电流，这种量子点结合pn结的结构能够广泛应用于太阳能电池和光电探测器领域，不仅能够使太阳能电池的设计更加灵活，而且能够扩展光电探测器的光谱响应范围。以上研究表明量子点在实际生产领域具有广阔的应用前景，而激光干涉光刻技术将为量子点的研究快速转化为生产提供经济高效的手段。