本發(fā)明涉及量子結構的定位生長技術領域，尤其涉及一種基于激光直寫工藝的量子結構的定位生長方法。

背景技術：

高質量、定位生長的量子點、線在單光子器件、單電子器件、量子點激光器等多個方面都有著廣闊的應用前景。其中，基于單光子器件的量子計算、量子通信是目前量子信息技術最重要的物理實現(xiàn)方法。但是目前缺乏理想的單光子發(fā)射器件，量子密鑰通信的實驗演示都采用激光衰減光源模擬單光子發(fā)射，這種實驗需要極為復雜的光路系統(tǒng)，而且單光子產生效率很低，也不能消除多光子的存在，無法避免受到多光子攻擊的可能性，這將會給量子通信帶來安全隱患。制作高質量的單光子器件將獲得穩(wěn)定、高效、可靠的單光子發(fā)射，是實現(xiàn)安全的量子通信及量子密碼實用化的理想選擇之一。

目前多采用納米壓印、電子束曝光、聚焦離子束等技術，并結合濕法刻蝕工藝制作亞微米甚至納米尺寸的圖形襯底，然后在圖形襯底上分子束外延生長量子點、線。以上方法中制備得到的圖形襯底的尺寸較大，不利于量子點、線的定位生長，另外，濕法刻蝕工藝過程使得制備得到的圖形襯底的表面不可避免地受到水、氧的污染，所以在進行分子束外延生長前必須要對圖形襯底進行復雜的清洗過程，該過程將導致圖形襯底表面大量缺陷和雜質的產生。量子點、線是納米尺度的結構，其生長將在很大程度上受到襯底表面缺陷和雜質的影響。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種基于激光直寫工藝的量子結構的定位生長方法，該方法可以得到尺寸遠小于光學衍射極限的刻蝕圖形襯底，能夠實現(xiàn)高質量量子點、線的定位生長。

為了實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用了如下的技術方案：

一種基于激光直寫工藝的量子結構的定位生長方法，其包括應用激光直寫工藝在光刻膠層上刻寫刻蝕結構圖形步驟，該步驟具體包括：首先控制激光直寫的曝光光斑沿光刻膠層的第一方向刻寫，形成一行的曝光光斑；然后控制激 光直寫的曝光光斑沿光刻膠層的第二方向逐行刻寫，最終在光刻膠層上形成M行×N列的曝光光斑；其中，所述曝光光斑的直徑為D，所述曝光光斑沿第一方向和第二方向的步進均為d，并且其中，在進行第i行至第i+m-1行的第j列至第j+n-1列的刻寫時，關閉曝光光斑的功率形成未曝光區(qū)域，所述未曝光區(qū)域形成所述刻蝕結構圖形，所述刻蝕結構圖形沿行方向上的長度為L1，沿列方向上的長度為L2，并且，L1＝(m+1)×d-D，L2＝(n+1)×d-D；其中，M、N為正整數，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徑D。

優(yōu)選地，m和n的取值使得L1和L2的值均小于曝光光斑的直徑D。

優(yōu)選地，m和n的取值相等，使得L1＝L2。

具體地，該方法包括步驟：提供一襯底并在該襯底上依次形成一緩沖層和一光刻膠層；應用激光直寫工藝在所述光刻膠層上刻寫刻蝕結構圖形；應用反應離子刻蝕或負性顯影工藝在所述光刻膠層上形成刻蝕結構圖形；應用反應離子刻蝕工藝將所述刻蝕結構圖形轉移到所述緩沖層上，在所述緩沖層上形成定位生長區(qū)域；在所述定位生長區(qū)域中生長量子結構。

進一步地，所述曝光光斑的直徑D的范圍是220～280nm，所述步進d的范圍是70～80nm，m和/或n的取值范圍是3～5。

進一步地，所述量子結構為量子點或量子線；其中，該方法還包括去除所述光刻膠層的步驟，具體地：若所述量子結構為量子點，則在所述緩沖層上形成定位生長區(qū)域之后，首先去除所述光刻膠層，然后在所述定位生長區(qū)域中生長量子點；若所述量子結構為量子線，則在所述緩沖層上形成定位生長區(qū)域之后，首先在所述定位生長區(qū)域中生長量子線，然后再去除所述光刻膠層。

進一步地，應用反應離子刻蝕工藝將所述刻蝕結構圖形轉移到所述緩沖層上時，刻蝕深度為10～100nm。

進一步地，通過真空退火工藝去除所述光刻膠層，真空退火溫度范圍是300～500℃，退火時間是10～30分鐘，真空度<10^-1Pa。

進一步地，所述襯底的材料為砷化鎵、磷化銦或銻化鎵，所述緩沖層的材料與所述襯底的材料相同，所述光刻膠層的材料為鍺銻碲、鍺銻錫碲、鍺銻鉍 碲或碲化銻。

進一步地，所述緩沖層的厚度為200～500nm，所述光刻膠層的厚度為50～200nm

本發(fā)明實施例提供的基于激光直寫工藝的量子結構的定位生長方法中，首先在激光直寫的刻寫過程中，通過控制激光光斑和激光步進的大小關系，精確畫圖，可實現(xiàn)小于光學極限的刻寫尺寸，將該刻寫尺寸轉移到襯底上，得到尺寸遠小于光學衍射極限的刻蝕圖形襯底，能夠實現(xiàn)高質量量子點、線的定位生長。另外，在將刻寫圖形轉移到襯底的過程中，采用干法刻蝕、干法去膠工藝，有效減弱、避免襯底圖形表面缺陷和雜質衍生的問題，特別是在全真空環(huán)境中，采用上述全干法的工藝過程，能使分子束外延生長前襯底圖形的預處理過程簡化甚至省略，對襯底無損害且不沾污，從而進一步實現(xiàn)高質量量子點、線的定位生長。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施方式中的基于激光直寫工藝的量子結構的定位生長方法的工藝流程圖。

圖2是本發(fā)明一實施方式中的激光直寫工藝過程的示例性圖示。

圖3是本發(fā)明另一實施方式中的激光直寫工藝過程的示例性圖示。

圖4是如圖3中得到的刻蝕結構圖形的放大示意圖。

圖5是本發(fā)明實施例1中量子點的定位生長方法的示例性圖示。

圖6是本發(fā)明實施例2中量子線的定位生長方法的示例性圖示。

圖7是不同退火溫度作用后鍺銻碲(Ge₂Sb₂Te₅)的X射線衍射圖譜。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行詳細說明。這些優(yōu)選實施方式的示例在附圖中進行了例示。附圖中所示和根據附圖描述的本發(fā)明的實施方式僅僅是示例性的，并且本發(fā)明并不限于這些實施方式。

在此，還需要說明的是，為了避免因不必要的細節(jié)而模糊了本發(fā)明，在附圖中僅僅示出了與根據本發(fā)明的方案密切相關的結構和/或處理步驟，而省略了 與本發(fā)明關系不大的其他細節(jié)。

如圖1所示，本實施例提供的基于激光直寫工藝的量子結構的定位生長方法包括步驟：

S1、提供一襯底并在該襯底上依次形成一緩沖層和一光刻膠層。其中，所述襯底的材料可以選擇為砷化鎵、磷化銦或銻化鎵，所述緩沖層的材料選擇與所述襯底的材料相同，所述光刻膠層的材料可以選擇為鍺銻碲、鍺銻錫碲、鍺銻鉍碲或碲化銻。具體地，首先選擇襯底并在襯底上分子束外延生長一層200～500nm厚的緩沖層，然后在緩沖層上通過磁控濺射等工藝形成一層50～200nm厚的光刻膠層。

S2、應用激光直寫工藝在所述光刻膠層上刻寫刻蝕結構圖形。其中，通過控制激光的曝光光斑和激光步進的大小關系，精確畫圖，可獲得尺寸小于光學衍射極限的刻蝕結構圖形。

S3、應用反應離子刻蝕或負性顯影工藝在所述光刻膠層上形成刻蝕結構圖形。該步驟中，若選擇使用反應離子刻蝕工藝，可以選用刻蝕氣體為六氟化硫，流量為30～50sccm；若選擇使用負性顯影工藝，則可選用濃硝酸(濃度為67％)、濃過氧化氫(濃度為30％)及水的混合溶液(體積比例為1:1:7)進行腐蝕。

S4、應用反應離子刻蝕工藝將所述刻蝕結構圖形轉移到所述緩沖層上，在所述緩沖層上形成定位生長區(qū)域。反應離子刻蝕工藝中，所用氣體為氯氣和/或氯化硼氣體，流量為50～70sccm，刻蝕深度約為10～100nm。得到的定位生長區(qū)域的寬度尺寸與刻蝕結構圖形的尺寸大致相同，由此可得到尺寸小于光學衍射極限的定位生長區(qū)域，能夠實現(xiàn)高質量量子點、線的定位生長。

S5、在所述定位生長區(qū)域中生長量子結構以及去除光刻膠層，獲得在所述緩沖層上的量子結構。其中，所述量子結構為量子點或量子線；其中，若所述量子結構為量子點，則在所述緩沖層上形成定位生長區(qū)域之后，首先去除所述光刻膠層，然后在所述定位生長區(qū)域中生長量子點；若所述量子結構為量子線，則在所述緩沖層上形成定位生長區(qū)域之后，首先在所述定位生長區(qū)域中生長量子線，然后再去除所述光刻膠層。更具體地，通過真空退火工藝去除所述光刻膠層，真空退火溫度范圍是300～500℃，退火時間是10～30分鐘，真空度<10^-1Pa。

以上的工藝方法，在將刻寫圖形轉移到襯底的過程中，采用干法刻蝕、干法去膠工藝，可以有效減弱、避免襯底圖形表面缺陷和雜質衍生的問題，特別 是在全真空環(huán)境中，采用上述全干法的工藝過程，能使分子束外延生長前襯底圖形的預處理過程簡化甚至省略，對襯底無損害且不沾污，從而進一步實現(xiàn)高質量量子點、線的定位生長。

其中，步驟S2中，參閱圖2，應用激光直寫工藝在光刻膠層上刻寫刻蝕結構圖形的步驟具體包括：如圖2-(a)至圖2-(c)所示的，首先控制激光直寫的曝光光斑100沿光刻膠層30的第一方向(如圖2中的X方向)刻寫，形成一行的曝光光斑100；如圖2-(d)至圖2-(f)所示的，然后控制激光直寫的曝光光斑100沿光刻膠層30的第二方向(如圖2中的Y方向)逐行刻寫，最終在光刻膠層30上形成M行×N列的曝光光斑100，如圖2-(g)所示的。其中，所述曝光光斑100的直徑為D，所述曝光光斑100沿第一方向和第二方向的步進均為d，并且其中，在進行第i行至第i+m-1行的第j列至第j+n-1列的刻寫時，關閉曝光光斑100的功率形成未曝光區(qū)域302，如圖2-(h)所示的。在刻蝕或顯影后，所述未曝光區(qū)域302形成所述刻蝕結構圖形301，所述刻蝕結構圖形沿行方向上的長度為L1，沿列方向上的長度為L2，如圖2-(i)所示的。

其中，L1＝(m+1)×d-D，L2＝(n+1)×d-D；其中，M、N為正整數，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徑D。其中，i和j的取值決定了刻蝕結構圖形301在光刻膠層30中的位置，可根據需要進行調整；m和n的取值分別決定了L1、L2的大小。參閱圖2-(g)至圖2-(i)，以曝光光斑100的直徑D取值250nm，步進d取值75nm為具體的例子，i的取值使得刻蝕結構圖形301位于光刻膠層30的中部，m的取值為3，j＝1，n＝N，即在進行第i行至第i+2行的第1列至第N列的刻寫時，關閉曝光光斑100的功率，刻蝕結構圖形301沿行方向上的長度L1＝(3+1)×75-250＝50nm，沿列方向上的長度L2與光刻膠層30的寬度相等。L1的值遠小于曝光光斑100的直徑D(通常地，曝光光斑100的直徑D小于光學衍射極限，因此可以判斷L1的值也小于光學衍射極限)。

參照以上的曝光方式，易于想到的是，若j的取值使得刻蝕結構圖形301位于光刻膠層30的中部，n的取值為3，i＝1，m＝M，即在進行第1行至第M行的第j列至第j+2列的刻寫時，關閉曝光光斑100的功率，刻蝕結構圖形301沿行方向上的長度L1與該方向上的光刻膠層30的寬度相等，沿列方向上的長度L2＝(3+1)×75-250＝50nm。

比較優(yōu)選的是，通過選擇m和n的取值，使得L1和L2的值均小于曝光光斑的直徑D。更為優(yōu)選的是，通過選擇m和n的取值相等，使得L1＝L2。例如，參閱圖3和圖4，如圖3-(a)至圖3-(c)所示的，i和j的取值使得刻蝕結構圖形301位于光刻膠層30的中部，m和n的取值均為3，即在進行第i行至第i+2行的第j列至第j+2列的刻寫時，關閉曝光光斑100的功率，刻蝕結構圖形301沿行方向上的長度L1＝(3+1)×75-250＝50nm，沿列方向上的長度L2＝(3+1)×75-250＝50nm。L1和L2的值均遠小于曝光光斑100的直徑D。

其中，在如上的實施例方式中，所述曝光光斑的直徑D比較優(yōu)選的范圍是220～280nm，所述步進d比較優(yōu)選的的范圍是70～80nm，m的取值比較優(yōu)選的范圍是3～5，n的取值比較優(yōu)選的范圍是3～5。例如，若D取值250nm，d取值75nm，m和n取值4，則L1＝L2＝125nm。

實施例1

本實施例提供了基于激光直寫工藝的量子點的定位生長方法，如圖5所示，該方法包括步驟：

a1、襯底準備：取砷化鎵襯底10，依次用丙酮、無水乙醇和去離子水超聲清洗10分鐘，再用氮氣吹干，得到潔凈的砷化鎵襯底10，如圖5-(a)所示的。

b1、在步驟a1所述的潔凈襯底10上用分子束外延生長砷化鎵緩沖層20，厚度為200～500nm之間，如圖5-(b)所示的。

c1、在步驟b1獲得的樣品上用磁控濺射法生長無機相變材料鍺銻碲(Ge₂Sb₂Te₅)，厚度為50nm，作為激光直寫的光刻膠層30，如圖5-(c)所示的。

d1、將步驟c1所得的樣品用激光直寫刻寫刻蝕結構圖形，所用激光功率為30mW，脈寬20ns?？虒懲瓿珊笤儆梅磻x子刻蝕工藝在光刻膠層30中形成刻蝕結構圖形301，如圖5-(d)所示的，所用氣體為六氟化硫，流量為30～50sccm。具體地，參照前述的應用激光直寫工藝在光刻膠層上刻寫刻蝕結構圖形的步驟，獲得的刻蝕結構圖形301中L1＝L2＝50nm。

e1、在步驟d1所得的樣品上用反應離子刻蝕工藝將光刻膠層30上的刻蝕結構圖形301轉移到緩沖層20上，在所述緩沖層20上形成定位生長區(qū)域201,如圖5-(e)所示。反應離子刻蝕所用氣體為氯氣和/或氯化硼氣體，流量為50～70sccm，刻蝕深度為10～50nm。

f1、將步驟e1所得的樣品用真空退火爐除去其表面剩余的無機光刻膠，如圖5-(f)所示的。退火溫度為350～400℃，退火時間為10～20分鐘，真空度<10^-1Pa。

g1、將步驟f1所得的圖形襯底放入分子束外延設備中，在定位生長區(qū)域201生長量子點40，如圖5-(g)所示的。其中量子點40的材料為銦(鎵鋁)砷化合物，由分子束外延2～10個分子層得到。銦(鎵鋁)砷化合物是指銦砷化合物中可以含有鎵和/或鋁組分。

實施例2

本實施例提供了基于激光直寫工藝的量子線的定位生長方法，如圖6所示，該方法包括步驟：

a2、襯底準備：取砷化鎵襯底10，依次用丙酮、無水乙醇和去離子水超聲清洗10分鐘，再用氮氣吹干，得到潔凈的砷化鎵襯底10，如圖6-(a)所示的。

b2、在步驟a2所述的潔凈襯底10上用分子束外延生長砷化鎵緩沖層20，厚度為200～500nm之間，如圖6-(b)所示的。

c2、在步驟b2獲得的樣品上用磁控濺射法生長無機相變材料鍺銻鉍碲(Ge₂Sb_1.5Bi_0.5Te₅)，厚度為200nm，作為激光直寫的光刻膠層30，如圖6-(c)所示的。

d2、將步驟c2所得的樣品用激光直寫刻寫刻蝕結構圖形，所用激光功率為20mW，脈寬30ns?？虒懲瓿珊笤儆梅磻x子刻蝕工藝在光刻膠層30中形成刻蝕結構圖形301，如圖6-(d)所示的，所用氣體為六氟化硫，流量為30～50sccm。具體地，參照前述的應用激光直寫工藝在光刻膠層上刻寫刻蝕結構圖形的步驟，獲得的刻蝕結構圖形301中L1＝L2＝50nm。

e2、在步驟d2所得的樣品上用反應離子刻蝕工藝將光刻膠層30上的刻蝕結構圖形301轉移到緩沖層20上，在所述緩沖層20上形成定位生長區(qū)域201,如圖6-(e)所示的。反應離子刻蝕所用氣體為氯氣和/或氯化硼氣體，流量為50～70sccm，刻蝕深度為50～100nm。

f2、將步驟e2所得的圖形襯底放入分子束外延設備中，在定位生長區(qū)域201生長量子線50，如圖6-(f)所示的。其中量子線50的材料為銦(鎵鋁)砷化合物，量子線50的長度取決于緩沖層20中的定位生長區(qū)域201的刻蝕深度和光刻膠層30的厚度。銦(鎵鋁)砷化合物是指銦砷化合物中可以含有鎵和/或鋁組分。

g2、將步驟f2所得的樣品用真空退火爐除去其表面剩余的無機光刻膠，如圖6-(g)所示的。退火溫度為350～400℃，退火時間為10～20分鐘，真空度<10^-1Pa。

如上實施例提供的量子結構的定位生長方法中，首先在激光直寫的刻寫過程中，通過控制激光光斑和激光步進的大小關系，精確畫圖，可實現(xiàn)小于光學極限的刻寫尺寸，將該刻寫尺寸轉移到襯底上，得到尺寸遠小于光學衍射極限的刻蝕圖形襯底，能夠實現(xiàn)高質量量子點、線的定位生長。另外，在將刻寫圖形轉移到襯底的過程中，采用干法刻蝕、干法去膠工藝，有效減弱、避免襯底圖形表面缺陷和雜質衍生的問題，特別是在全真空環(huán)境中，采用上述全干法的工藝過程，能使分子束外延生長前襯底圖形的預處理過程簡化甚至省略，對襯底無損害且不沾污，從而進一步實現(xiàn)高質量量子點、線的定位生長。

其中，本發(fā)明采用鍺銻錫碲、鍺銻鉍碲等無機相變材料作為光刻膠實施圖形轉移，最后用真空退火的辦法去除光刻膠，獲得設計的結構。經過驗證，在真空度<10^-1Pa的環(huán)境下，測量了不同退火溫度作用后鍺銻碲(Ge₂Sb₂Te₅)的X射線衍射，得出它們的升華溫度為350℃～400℃；可見圖7，在200℃鍺銻碲薄膜已晶化，出現(xiàn)衍射峰，隨溫度升高至350℃，薄膜保持晶態(tài)，而在400℃鍺銻碲的衍射峰消失。根據熱力學原理，若將真空度提高，則上述樣品將具有更低的升華溫度，從而進一步減小去膠對襯底或量子點、線的影響。

需要指出的是，上述實施例僅為說明本發(fā)明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發(fā)明的內容并據以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據本發(fā)明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。