可扩展量子限制装置制造方法及图纸

一种量子限制装置及其制造方法。该装置(100)包括具有至少一个突起(12)的衬底(10)和布置在其上的二维材料层(14)。二维材料层(14)布置在衬底(10)和至少一个突起(12)上，至少一个突起(12)在二维材料层(14)中引起局部应变，以在局部应变的区域处形成量子点或量子线。

Scalable quantum confinement device

A quantum confinement device and its manufacturing method. The device (100) comprises a substrate (10) having at least one protuberance (12) and a two-dimensional material layer (14) arranged thereon. A two-dimensional material layer (14) is arranged on a substrate (10) and at least one protuberance (12), and at least one protuberance (12) causes local strain in the two-dimensional material layer (14) to form quantum dots or quantum wires in the region of local strain.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】可扩展量子限制装置
本专利技术涉及一种量子限制装置及其制造方法。具体地，该装置是量子点装置或量子线装置。所描述的量子点装置可以充当发射器或单光子源。量子点或量子线在装置中的位置可以精确地确定，并且可以可靠地组装在大规模阵列内。
技术介绍
量子限制或低维装置(比如量子点和量子线)正在各种领域的潜在应用中变得越来越重要。量子点在所有三个空间维度上提供电子和/或空穴的量子限制，而量子线在两个空间维度上提供对电子和/或空穴的量子限制但允许在第三维度上的电子传输。量子点和量子线所表现出的不寻常的量子特性使其成为融入许多未来技术中的有用候选物。例如，量子点可以用于许多应用，包括光发射器以及特别是单光子源。期望单光子源形成包括量子密码学和量子计算技术的大量未来应用的整体部分。量子线已被推测用于许多应用中，包括晶体管、集成电路和电荷感测以及量子计算。已经显示了许多机制来产生具有类似于天然原子或捕获离子的性质的光学活性量子点。示例包括通过使具有不匹配晶格常数的外延层进行生长而形成的自组织量子点，或者碳化硅或金刚石中的原子缺陷。类似地，存在用于形成量子线的不同技术，包括使用比如氧化锌的天然存在的晶体。然而，当考虑将量子点或量子线结合到用于特定应用的装置中时，这些机制中的每一个都面临类似的挑战。首先，可扩展性对于装置的大规模制造仍然是一个问题。特别地，使用许多已知技术形成量子点和量子线的低产率意味着大规模制造装置(特别是使用金刚石)还不实际。此外，无法使用大多数已建立的形成方法来容易地预先确定或设计量子点或量子线在衬底上的位置。这样的要求对于包括量子点和量子线的集成电路的可行的大规模制造将是必要的。鉴于此，需要可以大规模生产同时提供量子点或量子线在所选衬底上的确定性定位的量子限制装置，比如量子点或量子线装置。此外，为了使用量子点装置作为单光子源，所产生的量子点还必须提供有竞争力的光谱特性，比如良好的均匀性和亮度。比如石墨烯和二硒化钨(WSe2)的层状二维(或二维层状)材料的独特晶体结构为量子技术提供了激动人心的新机会。与比如硅(Si)或砷化镓(GaAs)的传统三维半导体材料相比，二维材料表现出许多不寻常的性质。在二维材料中，原子形成为单层，这些单层在单层或片的平面内化学键合，但这些层仅通过范德华力保持在一起。每个单层被自然钝化而没有任何悬空的化学键，因此在单层之间没有形成化学键。重要的是，电子、空穴和多体复合物被限制在每个单个的单层的平面内并因此提供固有的二维限制系统。在二维平面中的电子的量子限制导致不同于三维材料的新颖的且不寻常的电子和光学性质。近年来已经开发了用于分离二维材料的一个或几个单层的技术，从而允许研究人员研究和开发由层状材料提供的二维限制系统中的装置。对于针对纳米光子技术的二维材料的进一步讨论可以在“Two-dimensionalmaterialnanophotonics”，Xia等，NaturePhotonics，2014，第8卷，第899-907页中找到。在比如二硒化钨(WSe2)的层状材料中已经观测到天然存在的量子点。尤其在单层的边缘部分已经记录了这种量子点。一些报告将量子点的形成归因于边缘区域处的晶体缺陷，而另一些报告则声称它们可能是由原子缺陷产生的。然而，这些天然存在的量子点还没有可靠地产生或可预测地定位，这意味着将这样的点以更大的规模结合到装置中是不可行的。因此，需要一种在大规模上是可行的、鲁棒的并且提供量子点或量子线在衬底上的确定性放置的量子限制装置(比如量子点装置或量子线装置)及其制造方法。此外，所产生的量子点必须具有高质量的光学和电学性质。
技术实现思路
在第一方面，提供了一种量子限制装置，其包括衬底和二维材料层，衬底具有布置在其上的至少一个突起。二维材料层布置在衬底和至少一个突起上，其中，至少一个突起在二维材料层中引起局部应变以形成量子线或量子点。更具体地，局部应变引起二维材料的带结构的局部修改，这导致对电子和/或空穴的量子限制。如果产生了足够的应变，则突起的形状以及因此局部应变的区域的形状决定是否形成量子点或量子线。特别地，在突起是纳米级柱、棱锥或圆锥的情况下，局部应变引起量子点。在至少一个突起是纳米级脊的情况下，应变的局部区域沿着脊延伸并形成量子线。通常，突起是纳米级的。量子限制装置是具有带结构的装置，其中电子和/或空穴被限制在至少一个维度上。在特定示例中，电子和/或空穴被限定在所有三个空间维度上，以形成量子点。在另外的示例中，电子和/或空穴被限制在三个空间维度中的两个上，以形成量子线。对电子和/或空穴的限制导致在量子限制装置中观测到量子行为。在特定示例中，存在一种量子点装置，其包括具有布置在其上的至少一个突起的衬底。二维材料层布置在衬底上和至少一个突起上，使得至少一个突起在二维材料层中引起局部应变。至少一个突起的区域中的局部应变的区域形成量子点。在不同示例中，存在一种量子线装置，其包括具有布置在其上的至少一个突起的衬底。突起可以是至少一个脊或褶皱。在该示例中，二维材料层布置在衬底和至少一个突起或脊上，使得至少一个突起或脊在至少一个突起或脊的区域中在二维材料层中引起局部应变。围绕至少一个突起或脊局部延伸的局部应变的区域可以形成量子线。任一示例的量子限制装置的衬底可以由任意材料形成，从而为制造提供高灵活性。然而，在半导体处理中通常使用的材料(比如硅或砷化镓)可以有利地允许在装置的制造期间使用众所周知的半导体制造和处理技术。至少一个突起可以是布置在衬底表面上或形成在衬底表面中的至少一个凸起、隆凸或突出部。理想地，突起布置在相对光滑、平坦的表面上并由该表面围绕。如上所述，二维材料(或者称为二维拓扑材料、或层状材料、或二维层状材料)是一类材料，其中，原子在同一平面或原子片内强键合，但原子片仅通过范德华力弱附着在上方和下方。块形式的二维材料由多个单层或原子片组成，其中，每个层或片的原子结构被自然钝化，而在层之间没有形成任何悬空化学键。由于弱的层间相互作用，可以制备仅具有几个原子层或单个单层的材料的二维材料。此外，二维材料中的电子在每个原子层的二维平面中经受量子限制。在所描述的量子点装置中，二维材料层可以是二维材料的单个单层，或者可以描述包括两个或更多个二维材料的单层的层。替代地，二维材料层可以是包括两个或更多个层状材料的一个或几个单层的异质结构。二维材料不同于准二维系统，比如使用具有固有三维晶格结构(例如，在异质结构内)的薄层材料形成的二维电子气体2DEG。可以在所描述的量子点或量子线装置内使用任意类型的二维材料。石墨烯可以是最著名的二维材料。二维半导体材料的其他示例包括二硫化钼(MoS2)、二硒化钨(WSe2)和二硫化钨(WS2)。由这两种材料提供的直接带隙导致有希望的发光性质。二维材料的其他示例包括石墨烯、硼烯、锗烯、硅烯、锡烯、磷烯、辉钼矿、钯、铑、石墨烯、氮化硼、锗烷、过渡金属二硫化合物(例如二硫化钼)或MXenes(具有通式Mn+1XnTX的层状过渡金属碳化物或碳氮化物)。与使用具有三维晶格结构的材料薄层(例如，可以用于在异质结构内形成2DEG的传统三维半导体材料，比如硅或砷化镓)相比，使用二维材料可以提供许多优点。二维材料不仅提供整洁、良好限制的二维系统，而且固有的二维材料层的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种量子限制装置，包括：衬底，其具有布置在其上的至少一个突起；二维材料层；其中，所述二维材料层布置在所述衬底和所述至少一个突起上，所述至少一个突起在所述二维材料层中引起局部应变，以在所述局部应变的区域处形成量子点或量子线。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.18 GB 1612419.01.一种量子限制装置，包括：衬底，其具有布置在其上的至少一个突起；二维材料层；其中，所述二维材料层布置在所述衬底和所述至少一个突起上，所述至少一个突起在所述二维材料层中引起局部应变，以在所述局部应变的区域处形成量子点或量子线。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述二维材料是半导体、绝缘体或半金属。3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述二维材料层是所述二维材料的剥离薄片。4.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述二维材料层是所述二维材料的沉积薄膜。5.根据权利要求4所述的装置，其中，通过化学气相沉积(CVD)形成沉积的所述二维材料。6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其中，所述二维材料层包括5个单层或更少，并且优选3个单层或更少。7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，所述至少一个突起在平行于所述衬底的平面中具有长度和宽度，其中，所述长度和所述宽度具有小于二的比率，并且所述局部应变的区域形成量子点。8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述长度和所述宽度具有大约1的比率。9.根据权利要求7或8所述的装置，其中，所述至少一个突起包括柱状物、柱、棱锥或圆锥中的至少一个。10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述至少一个突起在平行于所述衬底的平面中具有来自以下组中的至少一个的横截面形状：圆形、矩形、正方形、六边形、多边形。11.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，所述至少一个突起包括至少一个脊，并且所述局部应变的区域形成量子线。12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述至少一个脊在平行于所述衬底的平面中具有长度和宽度，并且其中，所述长度和所述宽度具有大于二的比率。13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述长度和所述宽度具有大于5的比率。14.根据权利要求1至13中任一项所述的装置，其中，所述至少一个突起的高度在2nm和200nm之间。15.根据权利要求1至14中任一项所述的装置，其中，所述局部应变在0.05％至1％之间。16.根据权利要求1至15中任一项所述的装置，其中，布置在所述衬底上的所述至少一个突起包括在所述衬底的表面上的至少一个纳米晶体的布置。17.根据权利要求1至15中任一项所述的装置，其中，布置在所述衬底上的所述至少一个突起包括通过在所述衬底的表面上图案化而形成的至少一个突起。18.根据权利要求17所述的装置，其中，通过光刻图案化和蚀刻所述衬底来形成所述图案化。19.根据权利要求1至15中任一项所述的装置，还包括形成在所述衬底上的外延层，所述至少一个突起布置在所述外延层上。20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述至少一个突起包括在所述外延层的表面上的至少一个纳米晶体的布置。21.根据权利要求19所述的装置，其中，布置在所述衬底上的所述至少一个突起包括在所述外延层中图案化的至少一个突起。22.根据权利要求21所述的装置，其中，至少一个图案化突起通过光刻图案化和蚀刻所述外延层而形成。23.根据权利要求1至22中任一项所述的装置，其中，所述至少一个突起包括形成多个量子点、多个量子线或至少一个量子点和至少一个量子线的多个突起。24.根据权利要求1至23中任一项所述的装置，其中，所述至少一个突起包括形成量子点阵列和/或量子线阵列的突起阵列。25.根据权利要求24所述的装置，其中，所述突起阵列在所述衬底上规则地间隔开，形成规则地间隔开的量子点阵列和/或量子线阵列。26.根据权利要求1至25中任一项所述的装置，还包括在所述二维材料层上的层。27.根据权利要求26所述的装置，其中，所述二维材料层上的层包括半导体、绝缘体或导体材料的层。28.根据权利要求26或27所述的装置，其中，所述二维材料层上的层包括二维材料层。29.根据权利要求26至28中任一项所述的装置，其中，所述二维材料层上的层包括六方氮化硼层。30.根据权利要求1至10或14至29中任一项所述的装置，其中，所述装置形成量子点并且是光发射器。31.根据权利要求30所述的装置，其中，所述发射器是单光子源。32.根据权利要求30或31所述的装置，其中，所述光发射器被光学驱动。33.根据权利要求30或31所述的装置，其中，所述光发射器被电驱动。34.一种量子点装置，包括：衬底，其具有布置在其上的至少一个突起；二维材料层；其中，所述二维材料层布置在所述衬底和所述至少一个突起上，所述至少一个突起在所述二维材料层中引起局部应变，以在所述局部应变的区域处形成量子点。35.一种量子线装置，包括：衬底，其具有布置在其上的至少一个脊；二维材料层；其中，所述二维材料层布置在所述衬底和所述至少一个脊上，所述至少一个脊在所述二维材料层中引起局部应变，在所述局部应变的区域处形成量子线。36.一种制造量子限制装置的方法，包括：提供衬底；在所述衬底上形成至少一个突起；在所述衬底和所述至少一个突起上布置二维材料层，所述至少一个突起在所述二维材料层中引起局部应变，以在所述局部应变的区域处形成量子点或量子线。37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述二维材料是半导体、绝缘体或半金属。38.根据权利要求36或37所述的方法，还包括剥离所述二维半导体材料的薄片，并且...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅特·阿塔奇，迪伦·卡拉，卡门·帕拉西奥斯·贝拉奎罗，
申请(专利权)人：剑桥企业有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB