中国科学院半导体研究所在量子点异质外延研究方面取得重要进展
- 2024-06-14 11:06:3310060
近期，在中国科学院半导体研究所王占国院士的指导下，刘峰奇研究员团队等在量子点异质外延的研究方面取得重要进展。研究团队以二维材料为外延衬底，基于分子束外延技术，发展出范德华外延(van der Waals epitaxy)制备量子点材料(图1)的新方案。
层状结构的二维材料表面没有悬挂键，表面能低。因此在远离热平衡的超高真空条件下，具备闪锌矿、纤锌矿等稳定结构的材料在其表面生长时，在总自由能最小的驱动下，原子沉积在二维材料上，将倾向于裸露出更多衬底，同时将自身的原子更多地包裹进体内，以降低表面自由能，从而实现量子点的生长。反射式高能电子衍射(RHEED)的原位生长监测显示，量子点的范德华外延生长为非共格外延模式，区别于S-K生长模式，衬底和量子点材料的晶格常数没有适配关系，从而大大提高了衬底和量子点材料组合的自由度，呈现出普适特性；同时，二维材料的面内对称性对量子点材料的晶格取向具有诱导作用。二维材料各异的表面性质则为量子点的形貌调控提供了新的自由度(图2)。
基于该方案，研究团队成功在4种二维材料(hBN、FL mica、MoS2、graphene)上制备了5种不同的量子点，包括4种III-V族的化合物半导体InAs、GaAs、InSb、GaSb和1种IV-VI族的化合物半导体SnTe，衬底和量子点组合共计20种。量子点种类受限于分子束外延(MBE)源材料种类，而非衬底，证实了外延方案的普适特性。研究团队在晶圆级尺度上完成了量子点的范德华外延制备，呈现出较好的尺寸均匀性和分布均匀性，且在较小的衬底温度范围内可以实现量子点密度4个数量级的变化。此外，研究团队通过制备光电探测器，拓宽了器件的响应光谱范围，证实了在范德华外延制备的0D/2D混维异质结中界面载流子的有效输运。该外延方案天然构筑的量子点/二维材料体系为研究混维异质结构提供了一个新平台，将有助于拓宽低维量子系统的潜在应用。
该成果以“Epitaxial growth of quantum dots on van der Waals surfaces”为题发表于《自然-合成》(Nature Synthesis)(DOI: 10.1038/s44160-024-00562-0)。半导体所博士生辛凯耀、博士李利安和北京大学博士后周子琦为论文共同第一作者，半导体所刘峰奇研究员、翟慎强研究员、魏钟鸣研究员和中国人民大学刘灿副教授为该论文的共同通讯作者，论文合作者包括北京大学刘开辉教授、半导体所张锦川研究员、刘俊岐研究员、邓惠雄研究员等。该项工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及中国科学院青年促进会等项目的资助。
图1 InSb量子点在MoS2表面的范德华外延生长
图2 量子点范德华外延生长方法的普适