[发明专利]基于分叉纳米线的多端量子调控器件的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料与器件技术领域，涉及一种基于分叉纳米线的多端量子调控器件的制备方法。

背景技术

半导体自组织量子点因其具有“类原子”特性，是目前量子物理和量子信息器件研究最重要的固态量子结构之一。基于量子点的高品质单光子的发射、读取、操纵、存储以及并行计算等是热点研究方向。而单量子点的可控制备(如精确定位、有序扩展、与光学谐振腔耦合等)并实现可调控的光电器件的制备是目前面临的挑战性问题。

采用传统S-K模式生长的量子点存在位置随机性的问题而影响其与微腔的有效耦合，图形法生长量子点中，其传统的图形化衬底均是通过电子束光刻的技术实现的，不可避免的机械应力性非复合中心导致目前所获得的定位量子点存在发光效率低、光谱半宽过大的问题。采用分子束外延生长自催化生长的III-V族纳米线及其纳米光电器件研究成为新型纳米光电器件和量子信息研究领域的热点。将量子点与纳米线结合，不仅能够极大地改善量子点光电特征，产生新奇量子效应，而且在一定程度上实现了对量子点的定位。

然而，自催化生长的纳米线量子点结构由于界面结合能的差异，很难将量子点垂直嵌入纳米线中，不可避免的应力导致分叉纳米线的形成而影响发光效率。因而克服图形法制备量子点光电性质有限的局限性，提出新型的可控的结构，避免繁琐的制备工艺实现隔离单个量子点的制备，同时有效地实现纳米线与量子点的结合与电调控，具有很重要的理论研究与实践应用的价值。

另一方面，Si基互联光电器件的研究也进入一个瓶颈。通过纳米线的异质兼容优势，将Si基与三五族光电器件结合起来，为将来的Si基网络集成系统掀开了崭新的篇章。

发明内容

为解决上述的一个或多个问题，本发明的目的在于提供一种基于分叉纳米线的多端量子调控器件的制备方法，它的制备工艺简单，结构新颖可控，易隔离出单个量子点，并提供了Si基量子网络集成系统的一种实现方案。

本发明提供一种基于分叉纳米线的多端量子调控器件的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：取一Si衬底，该Si衬底的表面存在自然形成的二氧化硅薄层；

步骤2：对Si衬底进行清洗；

步骤3：采用自催化的方法，在二氧化硅层上生长GaAs纳米线，对该GaAs纳米线选择性进行N型或P型掺杂；

步骤4：采用高As压处理消耗GaAs纳米线顶端的Ga液滴，抑制GaAs纳米线的顶端VLS生长；

步骤5：在低As压的环境中，在GaAs纳米线的侧壁上低速淀积InAs量子点；

步骤6：在InAs量子点上生长GaAs层，形成分叉结构基片；

步骤7：在分叉结构基片上覆盖AlGaAs势垒层；

步骤8：在AlGaAs势垒层的表面生长GaAs保护层，进行工艺制备形成可调控多端量子器件，完成制备。

从上述技术方案可以看出，本发明制备纳米线量子点多端量子调控器件具有以下有益效果：

(1)本发明采用自催化方法形成分叉纳米线量子点结构，其密度与位置均能定量的控制，可以实现单根分叉纳米线上生长单个量子点，避免了传统制备量子器件过程中繁琐的隔离工艺。

(2)本发明将量子点与具有二维限制作用的纳米线结合起来，对载流子具有更好的三维限制作用，预示更好的光电学性质。

(3)本发明在MBE中利用自催化生长纳米线的成熟技术，具有流程简单、重复性高的优点，同时纳米线的特征尺寸均匀，具备大规模制备量子器件的可能；

(4)这种分叉纳米线量子点是生长在Si衬底上的，这为实现Si基光子互联、波导耦合等量子器件提供了新思路：通过控制分叉点位置实现多通道量子器件，在量子点周围掺杂实现多端调控量子电学器件等等。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1为本发明的制备流程图；

图2为采用本方法生长的纳米线结构示意图；

图3为采用本方法的进行工艺制备的量子多端器件的结构示意图。

具体实施方式