面向固态量子信息器件的可控半导体量子点制备方法

基于半导体量子点的固态量子器件是发展量子信息技术的关键，研制该类器件的基础是发展可实现对量子点的位置、发光波长以及能级结构进行精确控制的量子点制备方法。本项目将研究基于微纳加工技术的可控半导体量子点制备方法，创新性地提出利用化学处理和高温处理等简单易行的方法形成具有三维覆盖层结构的量子点，并通过解决微纳加工工艺对量子点发光动力学过程的影响机制、量子点能级结构及激子特性与量子点结构参数的关系、微纳加工工艺对量子点结构特性的影响规律等关键科学问题，摸索出一套可获得发光效率高且空间位置、发光波长可控的量子点制备方法，以期获得具有自主知识产权的量子信息关键器件技术，促进我国量子信息技术的发展。

量子信息技术已取得了快速的发展，但固态量子器件仍很欠缺。基于半导体量子点的固态量子器件是量子信息技术的关键器件，亟需对量子点的位置、发光波长以及能级结构进行的精确控制。本课题的目标即研究可满足量子器件要求的半导体量子点的可控制备方法。GaN基量子点激子束缚能大，有利于获得室温工作的器件，故本课题以此为研究重点。. 常用的S-K外延量子点方法难以精确控制量子点的特性。本课题分别发展了自顶向下和自底向上的轴向异质结纳米线量子点可控制备方法。自顶向下方法获得的单个纳米线量子点的光致荧光谱（PL）半高全宽最窄可达0.4 meV，远小于已报道结果；自底向上生长的纳米线量子点发光波长在450~560nm之间可控，测得单个量子点的单双激子发光谱。这些纳米线量子点可用于单光子发射器件制作，达到了课题研究目标。. 课题以InGaN/GaN量子阱材料为基础，利用纳米刻蚀工艺制备纳米线量子点。量子阱的组分和厚度的可控性较好，通过控制刻蚀纳米线的尺寸可控制量子点特性。课题发展了以聚苯乙烯纳米球和SiO2为刻蚀掩膜的自顶向下制作方法，通过优化工艺，制备出横向尺寸最小可达26 nm的纳米线。通过分析PL峰值能量的蓝移，指出影响纳米线量子点能级变化的主要因素是量子限制和应力释放，并且应力释放起主导作用。将具有不同参数的量子阱材料制备成纳米线，结合阴极荧光谱，对纳米线中的应力释放机制进行了研究。利用变温阴极荧光测试，分析表面缺陷在纳米线表面引入载流子捕获中心，其耗尽效应影响量子点的发光特性。. 课题利用分子束外延技术，发展了Si衬底上GaN纳米线的生长技术。通过控制衬底氮化、生长温度、Ga束流等条件，得到直径在20~40nm可控的GaN纳米线。在GaN纳米线之上，进一步生长获得了GaN/InGaN/GaN轴向异质结纳米线量子点，InGaN量子点的直径、高度、组分可由生长条件控制。课题利用多种评测手段详细分析了纳米线量子点的尺寸、组分、应力等结构特性和激子发光特性，以及这些因素的相互影响关系。. 综上所述，本课题分别发展了基于纳米刻蚀技术和分子束外延的GaN/ InGaN/GaN轴向异质结纳米线量子点制备方法，量子点发光波长可控，发光质量优良，为研制固态量子器件奠定了基础。