半导体研究所在量子点异质外延技术上取得重大突破

 

半导体量子点（Quantum Dot，QD）以其显著的量子限制效应和可调的能级结构，成为构筑新一代信息器件的重要材料，在高性能光电子、单电子存储和单光子器件等方面具有重要应用价值。半导体量子点材料的制备和以其为基础的新型信息器件是信息科技前沿研究的热点。

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。

图1 InSb量子点在MoS2表面的范德华外延生长

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）。

图2 量子点范德华外延生长方法的普适

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。