一种量子阱及量子点材料能带结构的调控方法

1.本发明属于低维材料领域，具体涉及一种量子阱及量子点材料能带结构的调控方法。


背景技术：

2.近年来，多波长探测与高光谱成像技术逐渐兴起，不同于传统光电探测器只针对某一波长或某一波段的探测，这些新兴探测技术要求获取到更加完整的光谱信息，可以在提升探测器集成程度的同时提升探测、成像的质量和准确性，并提高对于物质成分检测的精度，在环境检测、矿物分析、农业、医疗及航天探测器方面具备巨大的优势。光电探测系统要同时对不同波长的光学型号进行探测，要求其底层的功能材料具有不同的波长吸收特性，换言之，需要具有不同能带结构的光电材料被集成于同一探测系统中。
3.量子阱、量子点材料因其具有与电子德布罗意波长相比拟的空间尺寸，具有离散并且可以调控的能带结构，同时具有稳定的材料性能，成熟的器件工艺等优势，在光电子领域具有广泛和不可替代的应用。常见的量子阱、量子点能带调控方法往往着重于改变材料结构、薄层厚度或量子点尺寸、掺杂及组分分布，这一过程需要先于材料生长阶段进行设计，同一批次生长的材料有着固定的能带结构和波长响应特性。由于量子阱、量子点材料生长往往需要高真空环境及昂贵的设备，生长速度也仅为一秒内一个原子层，要获得具有多种波长响应的量子阱、量子点材料，其成本十分高昂，同时生产效率低下。


技术实现要素：

4.本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种量子阱及量子点材料能带结构的调控方法。
5.本发明提供了一种量子阱及量子点材料能带结构的调控方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤1，在衬底上使用真空沉积方法按顺序依次生长牺牲层、应力引入层以及量子结构薄膜功能层；
6.步骤2，通过光刻刻蚀牺牲层的开口区域，使用湿法刻蚀或干法刻蚀将应力引入层和量子结构薄膜功能层刻蚀至牺牲层；
7.步骤3，通过开口区域使用化学方法腐蚀掉部分牺牲层，释放应力引入层和量子结构薄膜功能层，经过预应力释放，应力引入层和量子结构薄膜功能层形成卷曲结构或褶皱结构；
8.步骤4，使用超临界干燥方法，保存具有卷曲结构或褶皱结构的器件，其中，量子结构薄膜功能层为量子阱材料或量子点材料，步骤4中，根据量子结构薄膜功能层为量子阱材料或量子点材料来对应得到器件为量子阱器件或量子点器件，步骤3中，通过预定的腐蚀参数进行腐蚀，并通过不同的腐蚀参数获得不同的卷曲结构或褶皱结构。
9.在本发明提供的量子阱及量子点材料能带结构的调控方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中，真空沉积方法为分子束外延、激光脉冲沉积、化学气相沉积或原子层
沉积中的任意一种。
10.在本发明提供的量子阱及量子点材料能带结构的调控方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中，衬底的材料为gaas、si或ge中的任意一种，牺牲层为alas、sio2或ge中的任意一种，应力引入层为inalgaas、高掺杂si或sige中的任意一种，量子阱材料为gaas/algaas或alas/gaas中的任意一种，量子点材料为inas、inp或ingasb中的任意一种。
11.在本发明提供的量子阱及量子点材料能带结构的调控方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中，在牺牲层前加入缓冲层，缓冲层的材料为重掺杂gaas、ge或sio2中的任意一种。
12.在本发明提供的量子阱及量子点材料能带结构的调控方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2中，光刻的方法为紫外光刻、无掩膜激光直写、热扫描探针光刻或电子束曝光中的任意一种，开口区域的形状为矩形、圆形、条状或不规则形状中的任意一种。
13.在本发明提供的量子阱及量子点材料能带结构的调控方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2中，湿法刻蚀所使用的刻蚀剂包括柠檬酸、双氧水、氢氟酸、氢氧化钾、tmah以及将刻蚀剂作为主要成分组成的混合溶液中的任意多种。
14.在本发明提供的量子阱及量子点材料能带结构的调控方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2中，干法刻蚀所使用的方法为反应离子刻蚀、电感耦合等离子体刻蚀或原子层刻蚀中的任意一种，干法刻蚀使用的气体为sf6、chf3、cf4、cl2、brcl3、ar、o2或o3中的任意一种。
15.在本发明提供的量子阱及量子点材料能带结构的调控方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤4中，卷曲结构为微环、微管或微螺旋弹簧中的任意一种，褶皱结构为一维波浪形褶皱、二维交叉型褶皱或不规则褶皱中的任意一种。
16.发明的作用与效果
17.根据本发明所涉及的一种量子阱及量子点材料能带结构的调控方法，通过在生长过程中加入应力引入层，再将应力引入层和量子结构薄膜功能层刻蚀至牺牲层，并通过腐蚀牺牲层释放预应力，使得量子阱材料或量子点材料形成的量子结构薄膜功能层形成卷曲结构或褶皱结构，得到的量子阱器件或量子点器件通过该卷曲结构或褶皱结构能够在不同位置产生压应变或拉应变，拉应力使得导带能级上升，且基态能级较激发态能级上升幅度更大，压应力则应使得导带能级下降，且基态能级较激发态能级下降幅度更大；并且能够通过不同的腐蚀参数，得到不同的卷曲结构或褶皱结构，使得同一批次生长的量子阱、量子点材料具有不同的能带结构，进而具有不同的吸收波长，提升了生产效率并显著降低了成本，在低维材料领域具有重大的应用前景。
附图说明
18.图1是本发明的实施例中的量子阱器件的结构示意图；
19.图2是本发明的实施例中卷曲结构的俯视图；
20.图3是本发明的实施例中带间跃迁能量随量子阱薄膜卷曲直径的变化示意图。
具体实施方式
21.为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本
发明作具体阐述。
22.本发明提供了一种量子阱及量子点材料能带结构的调控方法，包括以下步骤：步骤1，在衬底上使用真空沉积方法按顺序依次生长牺牲层、应力引入层以及量子结构薄膜功能层。
23.步骤1中，根据具体情况可以在牺牲层前加入缓冲层，缓冲层的材料为重掺杂gaas、ge或sio2中的任意一种。
24.量子结构薄膜功能层为量子阱材料或量子点材料。
25.步骤1中，真空沉积方法为分子束外延、激光脉冲沉积、化学气相沉积或原子层沉积中的任意一种。
26.步骤1中，衬底的材料为gaas、si或ge中的任意一种，
27.牺牲层为alas、sio2或ge中的任意一种，
28.应力引入层为inalgaas、高掺杂si或sige中的任意一种，
29.量子阱材料为gaas/algaas或alas/gaas中的任意一种，
30.量子点材料为inas、inp或ingasb中的任意一种。
31.步骤2，通过光刻刻蚀牺牲层的开口区域，使用湿法刻蚀或干法刻蚀将应力引入层和量子结构薄膜功能层刻蚀至牺牲层。
32.步骤2中，光刻的方法为紫外光刻、无掩膜激光直写、热扫描探针光刻或电子束曝光中的任意一种，开口区域的形状为矩形、圆形、条状或不规则形状中的任意一种。
33.步骤2中，湿法刻蚀所使用的刻蚀剂包括柠檬酸、双氧水、氢氟酸、氢氧化钾、tmah以及将刻蚀剂作为主要成分组成的混合溶液中的任意多种。
34.步骤2中，干法刻蚀所使用的方法为反应离子刻蚀、电感耦合等离子体刻蚀或原子层刻蚀中的任意一种，干法刻蚀使用的气体为sf6、chf3、cf4、cl2、brcl3、ar、o2或o3中的任意一种。
35.步骤3，通过开口区域使用化学方法腐蚀掉部分牺牲层，释放应力引入层和量子结构薄膜功能层，经过预应力释放，应力引入层和量子结构薄膜功能层形成卷曲结构或褶皱结构。
36.步骤3中，通过预定的腐蚀参数进行腐蚀，并通过不同的腐蚀参数获得不同的卷曲结构或褶皱结构。
37.步骤4，使用超临界干燥方法，保存具有卷曲结构或褶皱结构的器件。
38.步骤4中，根据量子结构薄膜功能层为量子阱材料或量子点材料来对应得到器件为量子阱器件或量子点器件，
39.步骤4中，卷曲结构为微环、微管或微螺旋弹簧中的任意一种，褶皱结构为一维波浪形褶皱、二维交叉型褶皱或不规则褶皱中的任意一种。
40.<实施例一>
41.本实施例的一种量子阱及量子点材料能带结构的调控方法，包括以下步骤：
42.步骤1，在gaas衬底上使用分子束外延生长按顺序依次生长牺牲层alas(30nm)、应力引入层in
0.2
al
0.2
ga
0.6
as(20nm)以及量子阱材料gaas(6.5nm)/al
0.26
ga
0.74
as(30nm)构成的量子结构薄膜功能层。
43.步骤2，通过光刻刻蚀牺牲层的矩形开口区域，使用柠檬酸、双氧水混合溶液(6：1)
及氢氟酸(10％)交替刻蚀将应力引入层和量子结构薄膜功能层刻蚀至牺牲层。
44.该双氧水混合溶液由柠檬酸粉末和水1:1获得的柠檬酸溶液再和30％双氧水以6:1的比例混合得到。
45.步骤3，通过矩形开口区域使用氢氟酸(13％)腐蚀掉部分牺牲层，释放应力引入层和量子结构薄膜功能层，经过预应力释放，应力引入层和量子结构薄膜功能层形成卷曲结构。
46.步骤4，使用超临界干燥方法，保存具有卷曲结构的量子阱器件。
47.图1是本发明的实施例中的量子阱器件的结构示意图。
48.如图1所示，本实施例的量子阱器件包括衬底1、牺牲层2以及应力引入层和量子结构薄膜功能层形成卷曲结构，该卷曲结构中包括具有压应变的薄膜3以及具有拉应变的薄膜4。
49.通过卷曲结构的引入使得量子结构薄膜功能层在延生长方向具有不同的压应变或拉应变，拉应变处带能级上升，压应变处导带能级下降，进而完成能带调控。
50.本实施例中，量子阱器件的卷曲结构的俯视如图2所示。该卷曲微管结构表面光滑平整，直径均匀一致，为90μm。
51.图3是本发明的实施例中带间跃迁能量随量子阱薄膜卷曲直径的变化示意图。
52.如图3所示，不同直径的管状结构的能带变化能够导致的带间跃迁能量发生变化。其中，管状结构直径越大，带间跃迁能量越小。这说明本发明的方法可以有效调控量子结构的能带。
53.<实施例二>
54.本实施例的一种量子阱及量子点材料能带结构的调控方法，包括以下步骤：
55.步骤1，在si衬底上使用分子束外延生长按顺序依次生长缓冲层n
+
gaas(10nm)、牺牲层alas(20nm)、应力层in
0.2
al
0.2
ga
0.6
as(20nm)以及量子阱材料gaas(6.5nm)/al
0.26
ga
0.74
as(30nm)构成的量子结构薄膜功能层。
56.步骤2，通过光刻刻蚀牺牲层的矩形开口区域，使用柠檬酸、双氧水混合溶液(6：1)及氢氟酸(10％)交替刻蚀将应力引入层和量子结构薄膜功能层刻蚀至牺牲层。
57.步骤3，通过矩形开口区域使用氢氟酸(5％)腐蚀掉部分牺牲层，释放应力引入层和量子结构薄膜功能层，经过预应力释放，应力引入层和量子结构薄膜功能层形成褶皱结构。
58.步骤4，使用超临界干燥方法，保存具有褶皱结构的量子阱器件，该量子阱器件因褶皱结构的引入在不同位置具有压应变或拉应变，拉应变处带能级上升，压应变处导带能级下降，进而完成能带调控。
59.<实施例三>
60.本实施例的一种量子阱及量子点材料能带结构的调控方法，包括以下步骤：
61.步骤1，在si衬底上使用分子束外延生长按顺序依次生长牺牲层alas(30nm)、应力层in
0.2
al
0.2
ga
0.6
as(10nm)及量子点材料inp构成的量子结构薄膜功能层。
62.步骤2，通过光刻刻蚀牺牲层的矩形开口区域，使用柠檬酸、双氧水混合溶液(6：1)及氢氟酸(10％)交替刻蚀将应力引入层和量子结构薄膜功能层刻蚀至牺牲层。
63.步骤3，通过矩形开口区域使用氢氟酸(5％)腐蚀掉部分牺牲层，释放应力引入层
和量子结构薄膜功能层，经过预应力释放，应力引入层和量子结构薄膜功能层形成褶皱结构。
64.步骤4，使用超临界干燥方法，保存具有褶皱结构的量子点器件，该量子点器件因褶皱结构的引入在不同位置具有压应变或拉应变，拉应变处带能级上升，压应变处导带能级下降，进而完成能带调控。
65.实施例的作用与效果
66.根据本实施例所涉及的一种量子阱及量子点材料能带结构的调控方法，通过在生长过程中加入应力引入层，再将应力引入层和量子结构薄膜功能层刻蚀至牺牲层，并通过腐蚀牺牲层释放预应力，使得量子阱材料或量子点材料形成的量子结构薄膜功能层形成卷曲结构或褶皱结构，得到的量子阱器件或量子点器件通过该卷曲结构或褶皱结构能够在不同位置产生压应变或拉应变，拉应力使得导带能级上升，且基态能级较激发态能级上升幅度更大，压应力则应使得导带能级下降，且基态能级较激发态能级下降幅度更大；并且能够通过不同的腐蚀参数，得到不同的卷曲结构或褶皱结构，使得同一批次生长的量子阱、量子点材料具有不同的能带结构，进而具有不同的吸收波长，提升了生产效率并显著降低了成本，在低维材料领域具有重大的应用前景。
67.上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。