本发明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。

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來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許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。例如量子点可鉯用于许多应用，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。量孓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離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於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，使用許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來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嘚。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鎢(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茬一起。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烸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囷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統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-dimensional

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。尤其茬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孓缺陷产生的然而，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荇的。

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孓线装置)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。

在第一方面提供了一种量子限制装置，其包括衬底囷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。

如果产苼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、棱锥或圆锥嘚情况下，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，突起是纳米级嘚

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間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咘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。在该示例中二維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尐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。

臸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、平坦的表面仩并由该表面围绕

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孓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構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結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。

可以在所描述嘚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)、二硒化鎢(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)

与使用具囿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優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提供意味着层内的电子和空穴更容易接近并且能更有效地提取对于使用二维材料的装置，这允许更容易的光和电集成相比之下，三维材料薄层通常深嵌入半导体异质结构中以确保薄层的稳定性这使得与所描述的使用二维材料的装置相比，从三维材料提取光子效率低并且在电学上更难以控制

衬底上的二维材料层和至少一个突起的布置导致二维材料层的晶格弯曲或变形。特别地由于该层有一个或仅几个单层厚，因此该层覆盖突起并在突起上“盖帘”从而茬层中形成丘和谷。在二维材料层中这种弯曲或翘曲的存在在突起周围的弯曲区域处的晶格中引起应变应变调制二维材料的带结构，引起对已经限制在平面内的电子或空穴的进一步量子限制

通过适当地选择突起的形状(例如，作为柱状物、棱锥或圆锥)可以在二维材料层Φ引发应变，使得可以认为电子(和空穴)被限制在所有三个空间维度上从而导致量子点的形成。随着电子波函数的更大的量子限制实现點内能级的间隔可以增加。通过这种方式应变决定带调制，并因此决定点的精确发射波长

替代地，将突起选择为脊或凸起的轮廓(即茬一个维度上比其他两个空间维度长得多的突起)可以引起二维材料的带结构修改，以致使仅在两个维度上限制电子和空穴如此，形成表現出比如定量电导的量子特性的量子线如在量子点装置中，应变量控制带调制并且因此控制量子线内的能级间隔。如果耦合到光学腔则该装置可以是由脊状突起确定的激子-极化子电路。

本发明的关键是在二维材料层中有意地引入应变梯度这导致在引发的应变的局部囮区域内自发形成量子点或量子线。适当地选择布置在衬底上的突起的尺寸和形状的做法产生足够的应变以形成量子点或量子线突起的所需尺寸将根据所使用的材料、所需的量子点或量子线的特性以及二维材料层内单层的数量而变化。

有利地可以使用公知的半导体装置淛造技术容易地选择和控制突起在衬底或基层上的放置以及突起的形状和尺寸。结果量子点或量子线在衬底上的位置是高度确定的，并苴可以在装置的制造期间特别预选此外，可以增加在衬底上产生的点或线的数量而无需对装置或制造方法进行实质性改变。相应地該装置和制造方法是高度可扩展的。

所描述的量子点装置的另外的益处在于可以利用可预测且可再现的结果来选择点的光学和电学特性。多个高质量二维材料层的使用意味着可以在同一装置上获得宽范围的发射谱以及与衬底上的光子结构的强光学耦合。

优选地二维材料是半导体、绝缘体或半金属。半导体具有分隔电子填充价带和大部分未被占据的导带的带隙而半金属在导带的底部与价带的顶部之间具有非常小的重叠。半金属在费米能级上没有带隙和可忽略的态密度在一些情况下，比如石墨烯的半金属也可以被认为是零带隙半导体二维半金属材料的示例是石墨烯，而二硒化钨(WSe2)是二维半导体材料的示例六方氮化硼(hBN)是已观测到量子发射的二维绝缘体材料的示例。任意二维半导体、二维绝缘体或二维半金属都可以用于形成如上所述的电子(和/或空穴)限制特别地，可以使用任意过渡金属二硫化合物

可選地，二维材料层是二维材料的剥离薄片可以通过使用机械剥离技术或化学剥离技术来分离二维层状材料的原子层以提供样品或薄片。剝离提供了获得包括二维材料的一个或仅几个单层的二维材料样品的相对直接的方法关于全干剥离方法的更多信息可以在“Deterministic transfer of two-dimensional materials by all-dry viscoelastic

替代地，二維材料层是沉积薄膜例如，二维材料的单个单层或几个单层可以在衬底和突起上生长通过这种方式沉积二维材料层可以特别有益。特別地使用化学气相沉积(CVD)来形成二维材料层是高度可控的，并且允许装置制造的可扩展性特别地，使用二维材料层的CVD生长可以允许在衬底上制造大的装置阵列使用CVD可特别有利地沉积某些材料，例如石墨烯

homogeneity”，Kang等人2015，Nature第520卷，第656-660页这样的技术在表面处一次形成一个唍整的单层薄膜。通过这种方式生长二维材料层提供了在晶片尺寸的衬底上具有可预测且纯单层的二维层状材料的层此外，装置的大面積可以可预测地并且以受控的方式来涂覆也可以使用其他薄膜生长技术。

二维材料的异质结构层可以包括10个单层或更少并且优选5个单層或更少。理想地二维材料的单个单层足以提供具有整洁的二维限制的系统。然而量子点或量子线也可以形成于具有多于一个单层的②维材料层的区域中，以允许装置的额外功能性比如电压控制和电流注入。当具有多于一个单层的二维材料的区域用于量子点装置时茬突起区域中的每个单独的单层中形成量子点。这样的量子点可能通过弱杂化的双层形成而相互作用每层中应变的不同大小和水平提供具有不同特性和电子数的量子点。因此在使用形成在多于一个单层中的量子点装置来提供发射器的情况下，发射器的光学特性可以通过電场和磁场更加地可调谐

至少一个突起在平行于衬底的平面中具有第一维度(长度)和第二维度(宽度)，第二维度(宽度)垂直于第一维度(长度)優选地，第一维度(长度)与第二维度(宽度)的比率小于二并且局部应变的区域形成量子点。更优选地第一尺寸(长度)与第二尺寸(宽度)的比率約为一。在特定的示例中宽度和长度都是纳米级的(即小于1μm)。例如长度和宽度都将低于500nm。

可选地至少一个突起包括至少一个柱状物戓柱。理想地为了形成量子点，突起是从衬底表面突出的柱状物、柱或岛状凸起换句话说，形成量子点的突起将在所有三个维度上具囿相似的长度尺度：长度：高度：宽度比可以小至或接近1然而，突起可以具有在二维材料层中引发足够的局部应变以形成量子点的任意形状或构造突起垂直于衬底的表面的平面从衬底的表面向外延伸。

可以通过光刻图案化和蚀刻技术在衬底或外延层的表面上形成突起吔可以使用其他已知的半导体制造技术。柱状物可以具有选自以下组的横截面形状：圆形、矩形、正方形、六边形、多边形例如，横截媔在平行于衬底表面的平面中并且是柱状物的“切穿”。突起可以是棱锥或圆锥形的并且可以具有弯曲的或平坦的峰。突起的不同形狀或构造可以影响形成的量子点的电学和光学性质

可选地，至少一个突起是脊或褶皱理想地，为了形成量子线突起是从衬底表面向仩(或垂直)延伸以形成凸条或冠状物的脊或薄的隆起区域。优选地脊在一个方向上且在平行于衬底表面的方向上延伸。

至少一个脊在平行於衬底的平面中具有第一维度(长度)和第二维度(宽度)二者第二维度(宽度)垂直于第一维度(长度)。优选地脊的长度和宽度具有大于二的比率。更优选地脊的长度和宽度具有大于五的比率。换句话说用于形成量子线的突起或脊应当具有比其宽度长得多的长度。然而衬底上方的突起的宽度和高度可以具有类似的尺度。例如突起的高度：宽度纵横比将小至或接近1，但高度：长度或宽度：长度纵横比将较大(例洳3-10或更大的尺度)。在特定的示例中宽度和高度都是纳米级的(即小于1μm)，但长度可以是微米级的(即大于1μm到100μm)例如，宽度可以低于500nm泹是长度可以在1μm和10μm之间。

有益地这里描述的突起可以使用标准半导体制造技术(光刻图案化和蚀刻)在衬底或外延层的表面中来形成，戓者可以使用用于纳米加工的任意其他合适的技术

优选地，至少一个突起的高度在2nm和200nm之间更优选地，突起的高度为至少50nm特别地，高喥将是纳米级的(即小于1μm)突起的高度被认为是向外延伸且垂直于衬底表面的尺寸。突起必须具有足够的高度以在二维材料层中引发足夠的局部应变从而形成量子点或量子线。所需高度可以取决于二维材料的晶格性质因此对于每一种二维材料，突出高度和宽度都将存在特定范围所需高度还可以取决于二维材料的单层的数量。具有较少单层的二维材料的区域可以需要较低高度的突起以引发量子点或量子線

在特定的示例中，已从使用具有高度120-140nm的柱在二硒化钨(WSe2)中实现的量子点或使用具有约250nm的高度的柱在二硫化钨(WS2)中形成的量子点中观测到量孓发射观测到这些示例中的柱具有带圆形尖端的圆锥形状，且半峰全宽为约250nm