半導(dǎo)體研究所在量子點(diǎn)異質(zhì)外延技術(shù)上取得重大突破

半導(dǎo)體量子點(diǎn)（Quantum Dot，QD）以其顯著的量子限制效應(yīng)和可調(diào)的能級(jí)結(jié)構(gòu)，成為構(gòu)筑新一代信息器件的重要材料，在高性能光電子、單電子存儲(chǔ)和單光子器件等方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料的制備和以其為基礎(chǔ)的新型信息器件是信息科技前沿研究的熱點(diǎn)。

近期，在中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所王占國(guó)院士的指導(dǎo)下，劉峰奇研究員團(tuán)隊(duì)等在量子點(diǎn)異質(zhì)外延的研究方面取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)以二維材料為外延襯底，基于分子束外延技術(shù)，發(fā)展出范德華外延（van der Waals epitaxy）制備量子點(diǎn)材料（圖1）的新方案。

圖1 InSb量子點(diǎn)在MoS2表面的范德華外延生長(zhǎng)

層狀結(jié)構(gòu)的二維材料表面沒(méi)有懸掛鍵，表面能低。因此在遠(yuǎn)離熱平衡的超高真空條件下，具備閃鋅礦、纖鋅礦等穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的材料在其表面生長(zhǎng)時(shí)，在總自由能最小的驅(qū)動(dòng)下，原子沉積在二維材料上，將傾向于裸露出更多襯底，同時(shí)將自身的原子更多地包裹進(jìn)體內(nèi)，以降低表面自由能，從而實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)的生長(zhǎng)。反射式高能電子衍射（RHEED）的原位生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)顯示，量子點(diǎn)的范德華外延生長(zhǎng)為非共格外延模式，區(qū)別于S-K生長(zhǎng)模式，襯底和量子點(diǎn)材料的晶格常數(shù)沒(méi)有適配關(guān)系，從而大大提高了襯底和量子點(diǎn)材料組合的自由度，呈現(xiàn)出普適特性；同時(shí)，二維材料的面內(nèi)對(duì)稱性對(duì)量子點(diǎn)材料的晶格取向具有誘導(dǎo)作用。二維材料各異的表面性質(zhì)則為量子點(diǎn)的形貌調(diào)控提供了新的自由度（圖2）。

圖2 量子點(diǎn)范德華外延生長(zhǎng)方法的普適

基于該方案，研究團(tuán)隊(duì)成功在4種二維材料（hBN、FL mica、MoS2、graphene）上制備了5種不同的量子點(diǎn)，包括4種III-V族的化合物半導(dǎo)體InAs、GaAs、InSb、GaSb和1種IV-VI族的化合物半導(dǎo)體SnTe，襯底和量子點(diǎn)組合共計(jì)20種。量子點(diǎn)種類受限于分子束外延（MBE）源材料種類，而非襯底，證實(shí)了外延方案的普適特性。研究團(tuán)隊(duì)在晶圓級(jí)尺度上完成了量子點(diǎn)的范德華外延制備，呈現(xiàn)出較好的尺寸均勻性和分布均勻性，且在較小的襯底溫度范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)密度4個(gè)數(shù)量級(jí)的變化。此外，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)制備光電探測(cè)器，拓寬了器件的響應(yīng)光譜范圍，證實(shí)了在范德華外延制備的0D/2D混維異質(zhì)結(jié)中界面載流子的有效輸運(yùn)。該外延方案天然構(gòu)筑的量子點(diǎn)/二維材料體系為研究混維異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)新平臺(tái)，將有助于拓寬低維量子系統(tǒng)的潛在應(yīng)用。

該成果以“Epitaxial growth of quantum dots on van der Waals surfaces”為題發(fā)表于《自然-合成》（Nature Synthesis）（DOI:?10.1038/s44160-024-00562-0）。半導(dǎo)體所博士生辛凱耀、博士李利安和北京大學(xué)博士后周子琦為論文共同第一作者，半導(dǎo)體所劉峰奇研究員、翟慎強(qiáng)研究員、魏鐘鳴研究員和中國(guó)人民大學(xué)劉燦副教授為該論文的共同通訊作者，論文合作者包括北京大學(xué)劉開(kāi)輝教授、半導(dǎo)體所張錦川研究員、劉俊岐研究員、鄧惠雄研究員等。該項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及中國(guó)科學(xué)院青年促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目的資助。