半導體所量子點異質(zhì)外延研究取得重要進展

來源：中國科學院半導體研究所

半導體量子點（Quantum Dot，QD）以其顯著的量子限制效應和可調(diào)的能級結(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、單電子存儲和單光子器件等方面具有重要應用價值。半導體量子點材料的制備和以其為基礎的新型信息器件是信息科技前沿研究的熱點。

近期，在中國科學院半導體研究所王占國院士的指導下，劉峰奇研究員團隊等在量子點異質(zhì)外延的研究方面取得重要進展。研究團隊以二維材料為外延襯底，基于分子束外延技術，發(fā)展出范德華外延（van der Waals epitaxy）制備量子點材料（圖1）的新方案。

圖1 InSb量子點在MoS2表面的范德華外延生長

層狀結(jié)構(gòu)的二維材料表面沒有懸掛鍵，表面能低。因此在遠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時，在總自由能最小的驅(qū)動下，原子沉積在二維材料上，將傾向于裸露出更多襯底，同時將自身的原子更多地包裹進體內(nèi)，以降低表面自由能，從而實現(xiàn)量子點的生長。反射式高能電子衍射（RHEED）的原位生長監(jiān)測顯示，量子點的范德華外延生長為非共格外延模式，區(qū)別于S-K生長模式，襯底和量子點材料的晶格常數(shù)沒有適配關系，從而大大提高了襯底和量子點材料組合的自由度，呈現(xiàn)出普適特性；同時，二維材料的面內(nèi)對稱性對量子點材料的晶格取向具有誘導作用。二維材料各異的表面性質(zhì)則為量子點的形貌調(diào)控提供了新的自由度（圖2）。

圖2 量子點范德華外延生長方法的普適

基于該方案，研究團隊成功在4種二維材料（hBN、FL mica、MoS2、graphene）上制備了5種不同的量子點，包括4種III-V族的化合物半導體InAs、GaAs、InSb、GaSb和1種IV-VI族的化合物半導體SnTe，襯底和量子點組合共計20種。量子點種類受限于分子束外延（MBE）源材料種類，而非襯底，證實了外延方案的普適特性。研究團隊在晶圓級尺度上完成了量子點的范德華外延制備，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)可以實現(xiàn)量子點密度4個數(shù)量級的變化。此外，研究團隊通過制備光電探測器，拓寬了器件的響應光譜范圍，證實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。該外延方案天然構(gòu)筑的量子點/二維材料體系為研究混維異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了一個新平臺，將有助于拓寬低維量子系統(tǒng)的潛在應用。

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）。半導體所博士生辛凱耀、博士李利安和北京大學博士后周子琦為論文共同第一作者，半導體所劉峰奇研究員、翟慎強研究員、魏鐘鳴研究員和中國人民大學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劉開輝教授、半導體所張錦川研究員、劉俊岐研究員、鄧惠雄研究員等。該項工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃以及中國科學院青年促進會等項目的資助。

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審核編輯 黃宇