大面积、高度均匀有序量子点阵列制造及其在量子点激光器中的应用

量子点引入到激光器、存储器、太阳能电池、LED等光电子器件使得其性能有了非常大的提高，已有的研究表明：在这些量子功能器件制造过程中，生成高度均匀有序和精确位置控制的量子点阵列是进一步提高其性能的关键，高效、低成本制造大面积、均匀有序量子点阵列被认为是这类新型器件从"实验室制作"走向"大规模制造"的主要瓶颈。本项目提出基于UV-NIL和MOCVD制造大面积、高度均匀有序量子点阵列的方法，研发一种制造大面积图形化衬底新方法，探索采用低温生长和退火工艺并结合优化的生长条件调控量子点均匀性和有序性的方法，建立纳米孔尺寸和生长条件的匹配关系，实现大面积、高度均匀有序InAs/GaAs量子点阵列的制造。并将生成的量子点阵列应用于高效量子点激光器制造，研究和评价其实际使用效果。项目的目标旨在发展一种原创性的大面积、高度均匀有序量子点阵列低成本和批量化制造工艺，以突破制约量子点器件性能和实用化的技术瓶颈。

以半导体材料量子点（Quantum Dots, QDs）为代表的低维纳米结构在纳光子、纳电子、光电子和量子器件等领域有着非常广泛的应用前景，量子点引入到激光器、存储器、太阳能电池、LED等器件能够巨大的改进和提高这些产品的性能。已有研究表明：在这些基于量子点器件生产过程中，制造高度均匀有序、精确位置控制的量子点阵列是进一步提高其性能的关键，高效、低成本批量化制造大面积、均匀有序量子点阵列被认为是这类新型器件从“实验室制作”走向“大规模制造”的主要瓶颈。. 针对当前半导体量子点及其阵列所面临的两个亟待解决的挑战性科学问题：（1）量子点可控性生长（尺寸、形状、组分、位置、密度、均匀性、一致性）；（2）大面积、高度均匀有序量子点阵列低成本和批量化的制造。本课题研究高效、低成本批量化制造大面积、高度均匀有序量子点阵列方法和关键技术，提出一种基于软UV-NIL和MOCVD规模化制造大面积、高度均匀有序量子点阵列的新方法，开发一种大面积完美量子点及其阵列制造方法和一种多源集成色彩可调的发光元件及其制造方法；探索了量子点精确可控性生长的新工艺，提出适用于非平整衬底整片晶圆纳米压印新工艺和复合软模具，研发了国内首台具有自主知识产权的4英寸整片晶圆纳米压印光刻机，解决现有纳米压印技术难以实现GaAs、蓝宝石等衬底（具有非平整、翘曲、易碎等特点）大面积纳米图形化的技术难题。本项目有可能在我国量子器件低成本和批量化制造方法，以及核心支撑技术－非平整衬底大面积纳米图形化方面形成有鲜明特色、具有自主知识产权的工艺和装备。. 本项目取得以下代表性的成果：（1）在本领域顶尖期刊Nano Today（SCI影响因子17.789）发表文章一篇，国外VerticalNews对于该项研究进行了专门的报道和评论；（2）由美国Nova Science Publishers出版英文专著一部；（3）受邀出版英文Book Chapter一章；（4）开发了国内首台具有自主知识产权的4英寸整片晶圆纳米压印光刻机，已获得4项授权发明专利，申请的国际PCT专利已进入美国国家实施阶段；（5）获得授权发明专利10项，申请国际PCT专利3项，申请美国专利一项；（6）在美国和日本等举办的国际会议作邀请报告和大会报告4次；（7）项目负责人入选2011教育部新世纪优秀人才和2013青岛市首届创新领军人才。