基于激光直写工艺的量子结构的定位生长方法技术

本发明专利技术公开了一种基于激光直写工艺的量子结构的定位生长方法，包括应用激光直写工艺刻写刻蚀结构图形步骤：首先控制激光直写的曝光光斑沿光刻胶层的第一方向刻写，形成一行的曝光光斑，然后再逐行刻写，最终在光刻胶层上形成M行×N列的曝光光斑，其中，曝光光斑的直径为D，曝光光斑的步进均为d，并且；其中，在进行第i行至第i+m-1行的第j列至第j+n-1列的刻写时，关闭曝光光斑的功率形成未曝光区域，未曝光区域形成刻蚀结构图形，刻蚀结构图形沿行方向上的长度为L1，沿列方向上的长度为L2，并且，L1＝(m+1)×d-D，L2＝(n+1)×d-D，m和n的取值至少使得L1或L2的值小于曝光光斑的直径D。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及量子结构的定位生长
，尤其涉及一种基于激光直写工艺的量子结构的定位生长方法。
技术介绍
高质量、定位生长的量子点、线在单光子器件、单电子器件、量子点激光器等多个方面都有着广阔的应用前景。其中，基于单光子器件的量子计算、量子通信是目前量子信息技术最重要的物理实现方法。但是目前缺乏理想的单光子发射器件，量子密钥通信的实验演示都采用激光衰减光源模拟单光子发射，这种实验需要极为复杂的光路系统，而且单光子产生效率很低，也不能消除多光子的存在，无法避免受到多光子攻击的可能性，这将会给量子通信带来安全隐患。制作高质量的单光子器件将获得稳定、高效、可靠的单光子发射，是实现安全的量子通信及量子密码实用化的理想选择之一。目前多采用纳米压印、电子束曝光、聚焦离子束等技术，并结合湿法刻蚀工艺制作亚微米甚至纳米尺寸的图形衬底，然后在图形衬底上分子束外延生长量子点、线。以上方法中制备得到的图形衬底的尺寸较大，不利于量子点、线的定位生长，另外，湿法刻蚀工艺过程使得制备得到的图形衬底的表面不可避免地受到水、氧的污染，所以在进行分子束外延生长前必须要对图形衬底进行复杂的清洗过程，该过程将导致图形衬底表面大量缺陷和杂质的产生。量子点、线是纳米尺度的结构，其生长将在很大程度上受到衬底表面缺陷和杂质的影响。
技术实现思路
鉴于现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于激光直写工艺的量子结构的定位生长方法，该方法可以得到尺寸远小于光学衍射极限的刻蚀图形衬底，能够实现高质量量子点、线的定位生长。为了实现上述的目的，本专利技术采用了如下的技术方案：一种基于激光直写工艺的量子结构的定位生长方法，其包括应用激光直写工艺在光刻胶层上刻写刻蚀结构图形步骤，该步骤具体包括：首先控制激光直写的曝光光斑沿光刻胶层的第一方向刻写，形成一行的曝光光斑；然后控制激光直写的曝光光斑沿光刻胶层的第二方向逐行刻写，最终在光刻胶层上形成M行×N列的曝光光斑；其中，所述曝光光斑的直径为D，所述曝光光斑沿第一方向和第二方向的步进均为d，并且其中，在进行第i行至第i+m-1行的第j列至第j+n-1列的刻写时，关闭曝光光斑的功率形成未曝光区域，所述未曝光区域形成所述刻蚀结构图形，所述刻蚀结构图形沿行方向上的长度为L1，沿列方向上的长度为L2，并且，L1＝(m+1)×d-D，L2＝(n+1)×d-D；其中，M、N为正整数，i＝1、2、3、…、M-1或M，j＝1、2、3、…、N-1或N，m＝1、2、3、…、M-1或M，n＝1、2、3、…、N-1或N；并且，m和n的取值至少使得L1或L2的值小于曝光光斑的直径D。优选地，m和n的取值使得L1和L2的值均小于曝光光斑的直径D。优选地，m和n的取值相等，使得L1＝L2。具体地，该方法包括步骤：提供一衬底并在该衬底上依次形成一缓冲层和一光刻胶层；应用激光直写工艺在所述光刻胶层上刻写刻蚀结构图形；应用反应离子刻蚀或负性显影工艺在所述光刻胶层上形成刻蚀结构图形；应用反应离子刻蚀工艺将所述刻蚀结构图形转移到所述缓冲层上，在所述缓冲层上形成定位生长区域；在所述定位生长区域中生长量子结构。进一步地，所述曝光光斑的直径D的范围是220～280nm，所述步进d的范围是70～80nm，m和/或n的取值范围是3～5。进一步地，所述量子结构为量子点或量子线；其中，该方法还包括去除所述光刻胶层的步骤，具体地：若所述量子结构为量子点，则在所述缓冲层上形成定位生长区域之后，首先去除所述光刻胶层，然后在所述定位生长区域中生长量子点；若所述量子结构为量子线，则在所述缓冲层上形成定位生长区域之后，首先在所述定位生长区域中生长量子线，然后再去除所述光刻胶层。进一步地，应用反应离子刻蚀工艺将所述刻蚀结构图形转移到所述缓冲层上时，刻蚀深度为10～100nm。进一步地，通过真空退火工艺去除所述光刻胶层，真空退火温度范围是300～500℃，退火时间是10～30分钟，真空度<10-1Pa。进一步地，所述衬底的材料为砷化镓、磷化铟或锑化镓，所述缓冲层的材料与所述衬底的材料相同，所述光刻胶层的材料为锗锑碲、锗锑锡碲、锗锑铋碲或碲化锑。进一步地，所述缓冲层的厚度为200～500nm，所述光刻胶层的厚度为50～200nm本专利技术实施例提供的基于激光直写工艺的量子结构的定位生长方法中，首先在激光直写的刻写过程中，通过控制激光光斑和激光步进的大小关系，精确画图，可实现小于光学极限的刻写尺寸，将该刻写尺寸转移到衬底上，得到尺寸远小于光学衍射极限的刻蚀图形衬底，能够实现高质量量子点、线的定位生长。另外，在将刻写图形转移到衬底的过程中，采用干法刻蚀、干法去胶工艺，有效减弱、避免衬底图形表面缺陷和杂质衍生的问题，特别是在全真空环境中，采用上述全干法的工艺过程，能使分子束外延生长前衬底图形的预处理过程简化甚至省略，对衬底无损害且不沾污，从而进一步实现高质量量子点、线的定位生长。附图说明图1是本专利技术实施方式中的基于激光直写工艺的量子结构的定位生长方法的工艺流程图。图2是本专利技术一实施方式中的激光直写工艺过程的示例性图示。图3是本专利技术另一实施方式中的激光直写工艺过程的示例性图示。图4是如图3中得到的刻蚀结构图形的放大示意图。图5是本专利技术实施例1中量子点的定位生长方法的示例性图示。图6是本专利技术实施例2中量子线的定位生长方法的示例性图示。图7是不同退火温度作用后锗锑碲(Ge2Sb2Te5)的X射线衍射图谱。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本专利技术的实施方式仅仅是示例性的，并且本专利技术并不限于这些实施方式。在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本专利技术，在附图中仅仅示出了与根据本专利技术的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本专利技术关系不大的其他细节。如图1所示，本实施例提供的基于激光直写工艺的量子结构的定位生长方法包括步骤：S1、提供一衬底并在该衬底上依次形成一缓冲层和一光刻胶层。其中，所述衬底的材料可以选择为砷化镓、磷化铟或锑化镓，所述缓冲层的材料选择与所述衬底的材料相同，所述光刻胶层的材料可以选择为锗锑碲、锗锑锡碲、锗锑铋碲或碲化锑。具体地，首先选择衬底并在衬底上分子束外延生长一层200～500nm厚的缓冲层，然后在缓冲层上通过磁控溅射等工艺形成一层50～200nm厚的光刻胶层。S2、应用激光直写工艺在所述光刻胶层上刻写刻蚀结构图形。其中，通过控制激光的曝光光斑和激光步进的大小关系，精确画图，可获得尺寸小于光学衍射极限的刻蚀结构图形。S3、应用反应离子刻蚀或负性显影工艺在所述光刻胶层上形成刻蚀结构图形。该步骤中，若选择使用反应离子刻蚀工艺，可以选用刻蚀气体为六氟化硫，流量为30～50sccm；若选择使用负性显影工艺，则可选用浓硝酸(浓度为67％)、浓过氧化氢(浓度为30％)及水的混合溶液(体积比例为1:1:7)进行腐蚀。S4、应用反应离子刻蚀工艺将所述刻蚀结构图形转移到所述缓冲层上，在所述缓冲层上形成定位生长区域。反应离子刻蚀工艺中，所用气体为氯气和/或氯化硼气体，流量为50～70sccm，刻蚀本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激光直写工艺的量子结构的定位生长方法，其特征在于，包括应用激光直写工艺在光刻胶层上刻写刻蚀结构图形步骤，该步骤具体包括：首先控制激光直写的曝光光斑沿光刻胶层的第一方向刻写，形成一行的曝光光斑；然后控制激光直写的曝光光斑沿光刻胶层的第二方向逐行刻写，最终在光刻胶层上形成M行×N列的曝光光斑；其中，所述曝光光斑的直径为D，所述曝光光斑沿第一方向和第二方向的步进均为d，并且其中，在进行第i行至第i+m‑1行的第j列至第j+n‑1列的刻写时，关闭曝光光斑的功率形成未曝光区域，所述未曝光区域形成所述刻蚀结构图形，所述刻蚀结构图形沿行方向上的长度为L1，沿列方向上的长度为L2，并且，L1＝(m+1)×d‑D，L2＝(n+1)×d‑D；其中，M、N为正整数，i＝1、2、3、…、M‑1或M，j＝1、2、3、…、N‑1或N，m＝1、2、3、…、M‑1或M，n＝1、2、3、…、N‑1或N；并且，m和n的取值至少使得L1或L2的值小于曝光光斑的直径D。

【技术特征摘要】
1.一种基于激光直写工艺的量子结构的定位生长方法，其特征在于，包括应用激光直写工艺在光刻胶层上刻写刻蚀结构图形步骤，该步骤具体包括：首先控制激光直写的曝光光斑沿光刻胶层的第一方向刻写，形成一行的曝光光斑；然后控制激光直写的曝光光斑沿光刻胶层的第二方向逐行刻写，最终在光刻胶层上形成M行×N列的曝光光斑；其中，所述曝光光斑的直径为D，所述曝光光斑沿第一方向和第二方向的步进均为d，并且其中，在进行第i行至第i+m-1行的第j列至第j+n-1列的刻写时，关闭曝光光斑的功率形成未曝光区域，所述未曝光区域形成所述刻蚀结构图形，所述刻蚀结构图形沿行方向上的长度为L1，沿列方向上的长度为L2，并且，L1＝(m+1)×d-D，L2＝(n+1)×d-D；其中，M、N为正整数，i＝1、2、3、…、M-1或M，j＝1、2、3、…、N-1或N，m＝1、2、3、…、M-1或M，n＝1、2、3、…、N-1或N；并且，m和n的取值至少使得L1或L2的值小于曝光光斑的直径D。2.根据权利要求1所述的基于激光直写工艺的量子结构的定位生长方法，其特征在于，m和n的取值使得L1和L2的值均小于曝光光斑的直径D。3.根据权利要求2所述的基于激光直写工艺的量子结构的定位生长方法，其特征在于，m和n的取值相等，使得L1＝L2。4.根据权利要求1-3任一所述的基于激光直写工艺的量子结构的定位生长方法，其特征在于，该方法包括步骤：提供一衬底并在该衬底上依次形成一缓冲层和一光刻胶层；应用激光直写工艺在所述光刻胶层上刻写刻蚀结构图形；应用反应离子刻蚀或负性显影工艺在所述光刻胶层上形成刻蚀结构图形；应用反应离子刻蚀工艺将所述刻蚀结构图形转移到所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄荣，张子旸，李智，黄源清，张宝顺，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32