0、重要信息提示

0.1、国际合作

基于本技术发明人彭长四教授前期国际上原创性研究成果——“原位激光干涉图形化（in-situ laser interference patterning: isLIP）诱导自组装（self-assembly: SA）生长半导体量子点阵列（quantum structure arrays: QDA）”，（英国）谢菲尔德大学Mark Hopkinson教授于2017年申请并获得如下两个重大项目资助：

（1）欧盟地平线2020“未来新兴技术（FET）”计划项目（干涉光刻调控纳米尺度自组装外延成核（NanoStencil），资助号：737315，资助额：321万欧元，2018.01.01-2020.12.31）。

（2）英国工程和自然科学研究委员会（EPSRC）“先驱研究与技能”计划项目（原位干涉光刻：一种新的纳米阵列制备方法，资助号：EP/P027822/1，资助额：95万英镑，2017.03.01-2020.02.28）。

彭长四全程参与了上述两个项目的申请，提供了关键的研究成果支持，并将作为最关键的研究人员全程参与两个项目的指导和研究。

0.2、欧盟科学家对该技术的评价

（1）项目申请评审意见：

FET计划项目的批准率通常只有大约2%，彰显了该技术的高水平。这里把FET项目评审意见中与“重要性、特色与创新性”有关的部分摘要如下：

1号评审员：

纳米材料合成中前所未有的，远远超出了现有的技术水平（Unprecedented capabilities in nanomaterials synthesis, well beyond current state of the art）……

自上而下和自下而上的方法相结合是雄心勃勃的目标。它为不同的（特别是单晶半导体）纳米线和其他纳米结构的可控生长开辟了新的途径和可能性。（Combination of the top-down and bottom-up approaches is ambitious goal. It opens new ways and possibilities of the controlled growth of the different (especially monocrystalline semiconductor) nanowires and other nanostructures.）

……它可能产生巨大的影响，可能与研发分子束外延[[1]]本身或电子束光刻相当。作者正打算为未来的纳米结构建立关键的技术支持，为有序全同纳米结构提供独特的途径。因此可能的革命性影响是巨大的（it can have huge impact, probably comparable with development of the molecular beam epitaxy [1] itself or electron beam lithography. Authors are intending to establish a key enabling technology for future nanostructuring, providing unique access to ordered ensembles of identical nanostructures. Thus possible transformation impact is huge）

2号评审员：

基于这项研究的技术成果将对纳米科学产生革命性影响，并将重新塑造纳米材料产业（Technological achievements based on this research would have transformational impact in nanoscience and would re-shape nanomaterials industry）……从长远的眼光来看，一种将使量子点阵列的生产成为量子信息处理的新颖的技术将对社会产生巨大影响（In the long-term vision, a novel technology would enable production of quantum dots array for quantum information processing with tremendous impact on society）

……使纳米材料合成的突破性[[2]]能力远远超出现有技术水平（enable a breakthrough [2] capabilities in nanomaterial synthesis well beyond current state of the art）……这项研究有可能成为下一代量子信息、传感和生物器件的基础。（This research have potential to underpin the next generation of quantum information, sensing and bio-devices.）

这将为许多关键应用打开机会之窗，包括增强的计算和通信，前所未有的传感能力和功能性生物材料。这些领域对技术和社会都有巨大的影响。（This would open the window of opportunities for a number of key application, including enhanced computation and communication, unprecedented sensing capabilities and functional biomaterials. These fields has tremendous impact on technology and society.）

3号评审员：

显然是一种新颖的综合方法（it is obviously a novel integrated approach）……该项目可以作为有序纳米结构的新型制备方法的基础。（The project can act as the foundation of a new processing approach for ordered nanostructures.）

所提出的研究具有新颖的方法论，因此可能对未来的欧洲科学和工业领导力产生相当大的影响（The proposed research has a novel methodology and therefore it is possible to make a considerable impact on future European scientific and industrial leadership）

4号评审员：

这种前所未有的生成阵列的方法将使未来的技术成为可能（Such unprecedented methodology to generate arrays will enable future technologies）

该项目具有强的原理性特征，因为它为有序的纳米结构材料提供了一种新方法，通过这种方法将开辟制备新颖器件的能力（The proposal has strong foundational character since it offers a novel approach towards ordered nanostructured materials, access to which will open up capability to fabricate novel devices）

（2）项目结项评审意见：

2021年9月，欧盟地平线2020项目FET专项完成结题评审。所有专家一致给与最优评价，并极力建议欧盟继续资助该项目后续研发。

0.3、FET计划简介

FET是“未来新兴技术”的意思，欧盟FET计划类似于中国的973和863计划的合体。

FET计划是欧盟着眼于重要战略领域的长远需求，力图通过科学突破，解决经济和社会面临的重大挑战。该计划的目标旨在对具有长期性、前瞻性、高风险、高回报、多领域、大规模的重要研发活动，进行长期、重点资助，为欧盟快速发展新一代技术打下基础，将科学概念转化为现实应用。

FET计划具有引领作用，倡导国际合作。通过杰出科学家和优秀工程技术人员的卓越合作，激发和带动信息通信计划（ICT）及其他领域的创新。FET计划项目吸引了包括诺贝尔奖获得者在内的杰出人才。FET项目的研发成果培育了众多高技术中小企业和新兴企业，支持发展了新型跨学科研究组织，对欧洲ICT产业的创新发展带来了深远影响。FET计划鼓励自由探索，对发现和确定ICT新的研究领域作用凸显。如，量子信息技术、生物和神经科学、认知机器人等重要ICT研究主题，都是在FET计划支持下确立的研究方向。

0.4、EPSRC“先驱研究与技能”计划简介

英国EPSRC计划类似于中国的863计划。

EPSRC（工程和自然科学研究委员会）长期资助英国的基础工程和物理科学研究。致力于追求卓越和影响力，支持有才华的科学家和工程师，他们通过他们的研究，发现新知识，探索新的思维方式并推动创新。EPSRC的研究范围从物理、化学和数学到材料、计算和工程。

EPSRC只支持经过同行评审程序被评为优秀的研究。EPSRC持续支持反映英国国家发展战略需求的研究。这包括支持英国在以发现为主导和以挑战为主导的研究中应对未来挑战并利用新机遇的能力。EPSRC与大学合作，确保英国的研究基地保持世界一流水平，吸引和留住最聪明，最优秀的研究人员。

EPSRC的愿景、目标和策略非常有抱负和雄心，期待未来英国保持其作为高品质研究的世界领先地点的地位，并且以创新而闻名。

1、关键技术

1.1、综述

下图是本项目从底层技术到顶层应用的关系图。

1.1.1、研究目标

（a）原位激光诱导图形化分子束外延技术：in-situ laser induced patterned molecular beam epitaxy (isLIP-MBE)；

（b）isLIP-MBE生长可控、无缺陷外延量子点阵列（quantum dot array: QDA）晶圆材料：

I）Si基Ge QDA材料；

II）Si基III-V族QDA材料；

III）III-V基QDA材料。

（c）基于（b）项的量子点阵列增益耦合分布式反馈半导体激光器（QDA Gain Coupling Distributed Feedback Laser Diode: QDA-GC-DFB-LD）；

（d）基于（b）项的量子点阵列存储器（QDA memory: QDAM）；

（e）基于isLIP-MBE技术的无光刻胶、无化学污染的，与外延同时进行的纳米光刻技术。

1.1.2、涉及如下核心技术

（a）高质量、高可控isLIP-MBE技术；

（b）工艺远比常规折射率耦合（Index Coupling Distributed Feedback Laser Diode：IC-DFB-LD技术简单的QDA-GC-DFB-LD技术；

（c）兼具FLASH和DRAM优点（长存储时间、快速读写）QDAM技术；

（d）无光刻胶、无化学污染的，与外延同时进行的纳米光刻技术。

1.1.3、自主知识产权

该技术已获如下核心专利授权：

ZL 2011 1 0224270.7（中国发明专利授权）;

PCT: PCT/CN2012/078013（PCT保护）;

US 8,969,185 B2（美国发明专利授权）;

12821709.8（欧盟发明专利授权，已经批准进入英国、德国、法国和芬兰）。

国际上有能力进行该技术生产的国家有美国、英国、德国、法国、芬兰和中国，而该技术的核心知识产权，已经得到所有这些国家的保护。

1.1.4、本项目各研究之间的相互关系和优势

我们将利用成熟的激光、MBE、光刻等底层技术，结合成熟的真空互联，将已经完成实验验证的世界原创的isLIP-MBE技术进行深度开发；

将isLIP-MBE技术提供的量子点阵列（QDA），通过简单的FP-LD工艺，制备低成本、高性能的QDA-GC-DFB半导体激光器，以取代市场上高成本的DFB半导体激光器；

将isLIP-MBE技术提供的QDA，通过传统的半导体存储器工艺，制备读写快、存储时间长和功耗小的QDAM，可取代目前市场上常规半导体存储器；isLIP-MBE技术的优点是：无缺陷、高分辨（深度分辨率达原子层）、简单、快速和低成本。我们只需要将LIP光路更换成由掩模版（mask）定义图案的原位激光投影诱导isLaP-MBE系统。就能实现设计图案定义的无缺陷、高分辨、简单、快速和低成本的光刻。

图1-2是本项目体系及其相互依存关系图。

图1-2：本项目体系及其相互依存关系图。

与传统技术相比，本项目由国际原创的isLIP-MBE及其衍生的技术具有很大的优势，图1-3是本项目技术创新点/技术优势的总结。

图1-3：本项目技术创新点/技术优势的总结。

2、团队介绍

本项目拥有一支非常出色的技术团队，在isLIP-MBE技术领域，我们是全球第一个吃螃蟹的团队，并且远远走在最前面。

本项目负责人彭长四，获理学和工学双博士学位，先后师从中国的和芬兰的分子束外延（MBE）先驱之一周均铭研究员和芬兰两院院士/美国工程院院士Markus Pessa教授，是本项目核心技术——原位激光诱导图形化MBE（isLIP-MBE）的发明人，苏州大学特聘教授（博导）和光电学院公共平台主任，被授予江苏省六大高峰人才和科学中国人2018年度人物。长期（28年）从事半导体、分子束外延和纳米技术研究，出版了1部Springer专著和其他4部专著中各1章，专利授权19项（包括美国、英国、德国、法国、芬兰、西班牙等国各1项），发表同行评审论文190余篇，他引2000余次，学术会议特邀报告22次。牵头领导的国际国内大项目有：科技部国际合作重点专项1项、欧盟FP7项目1项、欧盟FP6项目1项（芬兰课题组长）；一般项目有：国家自然科学基金面上1项、科技部国际合作2项（苏州大学课题组组长）、江苏省自然科学基金重大1项、芬兰科学院项目2项。基于他的本项目核心技术isLIP-MBE的原创性研究，1个欧盟地平线2020 FET（未来新兴技术）项目（批准率2%）和1个英国EPSRC“先驱研究与技能”项目获得资助（共约3600万人民币）。

袁孝教授为苏州大学特聘教授（博导），长期从事先进激光技术研究工作。863某专家组成员、中国光学工程学会理事、获中国光学学会激光专委会委员。得国防科工委科技进步一等奖一项、军队科技进步一等奖一项、军队科技进步三等奖二项。是本项目激光技术的专家。

石震武博士为苏州大学讲师（2021年将晋升为副研究员），有长期（12年）MBE研究一线工作和指导学生科研的经验，曾作为核心研究成员参与了多项科技部国际合作重点专项、863和973研究，主持了2项国家自然科学基金项目。在本项目中指导一线的MBE相关研究。

陈风楠博士，主力协助本项目负责人从无到有地建成苏州大学光电学院微纳公共平台，重建超过1000平方米的失效的1000级超净间，安装和调试1亿元以上的科研设备。具有优秀的实验室建设和管理经验，负责本项目的整体设备、强电、弱电的管理工作。

周均铭研究员是中国MBE先驱人物，因为对中国分子束外延技术的先锋带头和突出贡献，获国家科技进步一等奖、二等奖和三等奖各1次，中科院科技进步一等奖2次、三等奖3次。主持了国家科技攻关、攀登计划、重大基金、重点基金、国家863项目、973项目、中科院知识创新方向性项目等20多项。共发表包括物理学顶级刊物《Physical Review Letters》等论文200多篇。

Markus Pessa教授是欧洲MBE的先驱人物之一，芬兰两院院士、美国工程院院士和英国皇家物理学会理事，获芬兰总统颁发白玫瑰一级骑士勋章、公众服务金质奖章，1997年芬兰年度教授（全国所有教授中每年只评选出一位），与诺贝尔奖获得者中村修二一同获得芬兰千禧年杰出贡献奖，诺贝尔奖评委之一，以及其他一系列至高荣誉。在激光、半导体物理、光电子谱和表面科学等领域，发表论文超过750篇，引用超过3500次。他成功地领导了超过40个的芬兰和欧盟的研究项目。超过50家芬兰高科技公司的成立有他的影响，其中9家是他直接参与和领导而成立的。他被誉为芬兰激光器之父（Mr. Laser）。

周均铭研究员和Markus Pessa教授先后指导本项目负责人的理学和工学博士学位以及科研工作。他们是本项目高级顾问。

3、研究内容及项目实施的技术方案

3.1、isLIP-MBE技术

该技术已获中国、美国、欧盟发明专利授权保护。

3.1.1、介绍

纳米结构材料处于21世纪器件创新的前沿。现在，技术进步的道路把我们带到几个纳米的尺度，在这个尺度上，结构化的材料在分子级别的维度上相互作用，并且具有由量子相互作用支配的电子性质。将我们的技术转化为计算、传感、通信、诊断甚至治疗疾病的应用潜力巨大。然而，我们并不具备开发所需器件的设备。我们需要探索创新的制备方式，克服传统路线的局限性，成为第二次量子革命的关键技术。

对量子点和量子线等纳米级电子材料的理解和利用已经成为近十年来的热门研究课题。此外，纳米等离子体和功能生物材料是潜力巨大的新兴领域。然而，纳米结构化工艺方法在多年以来并没有显著的发展。传统的技术涉及使用很多连续的工艺步骤（例如：光刻、蚀刻和材料沉积/生长）来自上而下地构筑器件或结构，这是一种广泛应用的方法。但是，由于分辨率不够、或工艺过程引入过多的缺陷、或高成本，最终会走出历史舞台。

我们开发了一种国际原创的纳米材料结构的革命性工艺。该技术将自上而下的激光诱导图形化（laser induced patterning: LIP）的简单性与自下而上的（比如：分子束外延：MBE）自组装（self-assembly: SA）原位（in-situ）结合：isLIP-MBE、isLIP-SA，为下一代均匀有序量子点阵列（QDA）提供有成本优势的先进技术。由此产生的阵列将具有前所未有的位置和尺寸可控性，并将没有因刻蚀工艺而带来的缺陷。2013年9月在苏州大学安装了国际上首台工程化样机（图3.1-1）。

图3.1-1：国际上首套isLIP-MBE系统2013年9月在苏州大学安装后实物图，图中为项目负责人彭长四。

英国谢菲尔德大学Hopkinson教授得到了欧盟地平线2020的“未来的新兴技术（FET）”（NanoStencil项目，资助号：737315）和英国工程和自然科学研究委员会（EPSRC）的“先驱研究与技能”计划（资助号：EP/P027822/1）两个大项目的支持（折合人民币3600万元），于2019年1月安装了国际上第二台工程化样机，仅仅半年时间，就重复了本项目负责人的大部分研究成果（图3.1-2）。

图3.1-2：（左）国际上第二套isLIP-MBE系统2019年1月安装后烘烤去气中，彭长四与Hopkinson教授摄于谢菲尔德大学；（右）2019年7月欧盟项目组会议上Hopkinson教授展示的成果。

项目技术制备的材料将成为未来纳米级电子、光子和生物医学设备发展的基石。

图3.1-3：（a）四光束isLIP-MBE激光光束分布和衬底上产生干涉图样示意图；（b）208nm周期2D有序InAs QDA的AFM图像。

我们的愿景是为克服传统加工的局限性做一次彻底的改革，并建立全新的技术。我们使用相干激光将原位激光诱导图形化（isLIP）应用于正在MBE生长/反应的材料表面上。吸收的激光直接调制局部表面反应，从而形成按图形定义的纳米结构成核位置。我们通过干涉阵列来定义成核位置，然后利用自组装来在成核位置上生长/合成纳米结构。已经在〜200 nm的间距上验证了精确排列的尺寸在10 nm以下的单QDA（图3.1-3）。这种技术将成为分布反馈半导体激光、超快低功耗大容量存储、量子计算的关键技术。然而，我们的方法不限于一种特定的材料或技术，而是可以在不同的材料和工艺中找到应用。已经完成工程化样机并实验验证了的isLIP-MBE只是isLIP-SA技术的应用特例。isLIP-SA可以应用到其它自组装生长技术中，比如金属氧化物化学气相沉积（MOCVD）：isLIP-MOCVD。isLIP-MBE的研究成果可以转移到其它isLIP-SA技术中，欧盟FET项目：NanoStencil，已经将我们isLIP-MBE的成果应用到isLIP-CVD中，并且在芬兰组500个大气压下，超临界CO₂流体里Ti基底上，用isLIP技术制备了完美的金红石“甜甜圈”阵列（图3.1-4）。他们的研究成果将大大缩短本项目后续isLIP-MOCVD光刻扩展应用的研发时间和降低研发风险。

图3.1-4：欧盟地平线2020项目FET专项芬兰组研究成果。

3.1.2、用途

本项目核心技术是具有自主知识产权的激光图形化诱导半导体量子点生长的MBE设备（isLIP-MBE），主要用于定位生长长程有序、可控、无缺陷的外延半导体量子点材料：该材料可用于性能高于传统半导体量子点材料的红外探测器；可用于太阳能电池和（分布反馈）半导体激光器等目前由于传统外延技术不可控的局限尚无法大规模产业化的高端半导体器件；可用于超快低功耗大容量存储、单量子发射源和量子计算等传统外延技术不可能实现的材料生长。该系统能大大提高半导体外延量子点的性能，为打破外延量子点大规模产业化应用瓶颈提供有效手段，是研究人员、技术开发人员梦寐以求的设备。

3.1.3、技术创新点和技术优势

将表面光学图案结构与自组装相结合，我们获得了在材料形成/生长阶段直接合成/生长纳米材料的独特能力。干涉图案控制二维（生长平面）横向纳米结构的精细排列，而激光能量控制第三维生长的反应过程，在纳米级的所有三个维度上提供前所未有的结构控制。我们的工艺不受传统的自上而下蚀刻留下的界面缺陷的影响（这些传统刻蚀导致的大量缺陷最终严重地限制了传统方法制备的器件的性能潜力）。因此，我们的技术能够制备具有相同电子性质的均匀有序QDA，这样的阵列是“需要纳米结构系统”的应用的关键要求。利用容易投射到材料表面的干涉图案，使得我们的工艺具有根本的简单性。使用激光干涉能够在大面积上产生高度规则的阵列，从根本上克服了传统自下而上的自组装生长/合成纳米结构的无序性和不可控性。并且在纳秒时间尺度上的“单次”处理中获得。因此，它是一个本质上准确、快速和可扩展的技术，与已有的光刻方法相比具有根本的优势。

该技术可以满足当今纳米技术最关键的挑战，可以制备精确定制的QDA的大规模阵列。我们相信我们的技术可以开启一个全新的领域，有可能重新塑造纳米材料行业。我们的技术需要基础研究和尖端技术研发来实现其目标。该技术是基于项目组前期已有的研究积累而提出来的，我们已经完成了前期验证。

3.1.4、可行性分析

根据工艺流程，具体工艺分析如下：

（1）    通过激光束相位、方位角、偏振、光强和波长等激光参数的选择，产生合适的激光干涉图形，来定位量子点的生长的位置；

（2）    通过原子表面迁移、再构、衬底晶向、生长温度和速率等分子束外延生长参数的控制，来生长大小、密度合适的量子点材料；

（3）    通过材料的特性测试，来反馈和优化激光参数和生长参数；

（4）    通过将量子点材料制作成器件，测试器件参数，来反馈和优化激光参数和生长参数。

上述工艺流程合理，操作简单，过程可控。通过量子点材料和器件性能比对，来优化isLIP-MBE技术。

3.1.5、成熟性分析

上述工艺流程中主要涉及三类技术：激光技术、激光干涉技术和分子束外延技术，它们的产品技术均超过50年以上历史，属于非常成熟的、客户众多的技术。本项目，将这三类技术集成在一起，构成isLIP-MBE技术，成功地研发出了isLIP-MBE工程化样机，样机运行顺利，并且，成功地生长出了长程有序、可控的量子点。

目前，项目负责人已知的有：芬兰DCA公司为苏州大学制备了第一套isLIP-MBE系统（图3.1-1）；德国MBE Component公司为（英国）谢菲尔德大学制备了第二套isLIP-MBE系统（图3.1-2）；德国MBE Component公司正在为浙江大学制备第三套isLIP-MBE系统。我们正在筹划向德国MBE Component公司索要对我们的专利使用费。

所以，isLIP-MBE技术是成熟的。

3.2、分布反馈式半导体激光器

3.2.1、介绍

半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的激光导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展、半导体激光器体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用范围遍及的领域越来越宽广，它的出现带来了巨大的变化，使科技更发达，人们生活更加丰富多彩，应用范围遍及医学、科技、航天交通，通信等各个领域。自从1962年世界上第一个半导体激光器（Laser Diode：LD）发明问世以来，被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一。近60年来半导体激光器逐步应用在激光唱机、光存储器、激光打印机、条形码解读器、光纤电信以及激光光谱学中，不断扩大应用范围，进入了一些其它类型激光器难以进入的新的应用领域。

3.2.1.1、半导体激光器

激光器被视为20世纪的三大发明（激光器、半导体和原子能）之一，特别是半导体激光二极管（LD）倍受重视，最具实用价值的半导体LD是PN结电流注入的LD。在经历了降低阈值电流、横模控制和纵模控制阶段之后，现在正向高速化、大功率化、二维和三维集成化方向以及超长波长和紫外两个波段延伸。和其他激光器相比，LD因具有体积小、重量轻、低功率（低电压、小电流）驱动、高效率输出、调制方便、寿命长和易于集成等一系列优点而得到广泛应用，其中光纤通信是这些应用中最重要的部分。

法布里-珀罗（FP）型LD是最常见和最普通的LD，它由外延生长的有源层和有源层两边的限制层构成，谐振腔由晶体的两个解理面构成。目前，LD通常为双异质结结构。施加正向偏置时，则电子从N型势阱层，空穴从P型势阱层注入到有源层。由于带隙差产生的异质结势垒的存在，注入到有源层中的电子和空穴不能扩散而被限制在薄的有源层中，因此容易实现粒子数反转，即使只有很小电流流过，薄的有源层中的电子和空穴浓度也会很高。而且激光振荡产生的光增益正比于所注入的电子和空穴浓度。所以，用很小的电流就可获得很大的增益。另一方面，窄带隙有源层的折射率比限制层的折射率大，光向折射率大的区域集中。所以光子也被限制在有源层中。当有源层中形成反转分布的电子从导带跃迁到价带（或杂质能级），与空穴复合释放出光子，这些光子在由两个解理面形成的谐振腔中往复反射传播不断加强而获得光增益，当光增益大于谐振腔的损耗时，便有激光向外射出。

FP-LD在谐振腔内形成三种类型的驻波，即在两个异质结间形成的驻波、平行于有源层方向脊形波导形成的驻波和两个反射面间形成的驻波，如图3.2-1所示。

单模条件

一般应用都要求LD在“基横模+单纵模”下工作，所以必须进行模式控制。

（1）垂直横模

垂直横模的单模条件是（l、d、n_a和n_c分别是激光波长、有源区厚度、有源区和载流子限制层的折射率），对于半导体量子阱激光器来说，通常设计d<<d_max。所以，垂直横模的基模工作是容易实现的。

图3.2-1：FP-LD的横模和纵模。

（2）水平横模

水平横模模式（W、和分别是脊形波导宽度、有源区和脊槽填充物的有效折射率），在单模条件S=1下，脊形宽W»10 mm，分辨率最低的光刻机都能轻易做到。所以，水平横模的基模工作也是容易实现的。

（3）纵模

在基横模条件下，纵向模式q决定了光谱分布：l=2n_aL/q（l、n_a和L分别是激光波长、有源区折射率和LD腔长，q=1,2,3……是纵模模式）。

半导体激光器的一个重要特点是参与激光作用的是能带而不是分立的能级。由于能带具有一定的宽度这就决定了半导体激光器的增益谱比其它类型的激光器宽很多，再加上其谐振腔很短，在有限增益谱范围内，常常是多纵模输出。因此，如何减少激射纵模成了半导体激光器的一个重要问题。FP-LD在高速调制下，或在温度和注入电流变化时，而会出现模式跳跃和谱线展宽，这对高速应用十分不利。为了维持单纵模，减小光谱展宽，必须制备动态单模激光器。

目前有可能实现动态单模的有短腔激光器、耦合腔激光器、外腔激光器、长腔激光器、注入锁定激光器和分布反馈激光器反射器激光器，其中分布反馈激光器（Distributed Feed Back Laser Diode：DFB-LD），利用在LD中引入介质光栅（Bragg光栅）的方法，依靠光栅的选频作用大大加强了激光器的模式选择能力，减小了激光器的线宽，这是半导体激光器发展的一次飞跃。是光纤通信最有前途的实用化器件。

3.2.1.2、DFB-LD

DFB-LD和FP-LD的主要区别在于DFB-LD没有集总式反射的谐振腔反射镜，它的反射机构是由有源区波导上的Bragg光栅提供的，这种反射机构是一种分布式的反馈机构，因而得名分布反馈激光二极管。正因为这一非集总式反馈机构，使得它的性能远远超过普通FP-LD，特别是Bragg光栅的选频功能使得它具有非常好的单色性和方向性。此外，正因为它没有使用晶体解理面作为反射镜，使得它更容易集成化，在光电子集成电路中有着十分诱人的优点。

DFB-LD工作原理

图3.2-2：DFB-LD工作原理。由有源层发射的光在传播时，一部分在光栅波纹峰反射（如光线a），另一部分继续传播，在邻近的光栅波纹峰反射（如光线b），如果光线a和b匹配，相互叠加，则产生更强的反馈，而其他波长的光则相互抵消。

DPB-LD的基本原理是在腔长方向上引入折射率或增益的周期性扰动，这种扰动使得沿腔长方向传播的正、反向产生衍射而相互耦合，相互交换能量，因而产生反馈（图3.2-2）。而这种耦合只有波长在Bragg波长附近时才能有效的发生，只有在这些波长的光子才能实现激射，从而达到模式选择的目的。当电流注入激光器后，有源区内电子-空穴复合，辐射出相应能量的光子，这些光子将受到Bragg光栅的反射。在DFB-LD的分布反馈中，光栅的栅条间入射光和反射光的方向恰好相反。这种光栅式的结构完全可以起到一个谐振腔的作用。

DFB-LD特点

与一般FP腔激光器相比，DFB-LD具有以下两大优点。因而，在目前的光纤通信系统中得到广泛应用：

（1）线宽窄

发射谱线宽定义是激光增益曲线和激光器的模式选择特性的卷积，由于光栅具有很好的波长选择特性，因此，发射谱宽较窄。典型的端面反射型FP-LD的单模线宽为1~2 Å，约50GHz，而带有光栅结构的DFB-LD的线宽约为50-100kHz。

由于，DFB-LD中光栅的栅距很小，形成一个微型谐振腔，使主模比边模的阈值增益相对较大，从而得到比FP-LD窄很多的线宽，并能保持动态单纵模输出。

（2）波长稳定性好

传统的FP-LD的输出波长很容易受到温度的影响。DFB-LD波长的稳定性较好，因为光栅能够锁定激光器输出给定的波长。比常规FP-LD要好得多。在DFB-LD中，输出波长尽管会受到增益曲线的影响，但主要由光栅周期决定。当l阶模和±1阶模的间距比增益谱宽大时，只有一个模式有足够的增益产生激光。

3.2.1.3、DFB-LD的反馈方式

DFB-LD中存在两种基本的反馈方式：

(1)    折射率周期性变化引起的Bragg反射，对复折射率的实部进行扰动，即折射率耦合（IC: Index Coupling）；

(2)    增益周期性变化引起的分布反馈，对复折射率的虚部进行扰动，即增益耦合（GC: Gain Coupling）。

（1）折射率耦合

如果，IC-DFB-LD的折射率光栅是完全均匀对称的，在端面反射为零的理想情况下，理论分析指出：IC-DFB-LD在Bragg频率【l_B=2nL/m（n：模式有效折射率，m：光栅阶数）】处不能激射，而在l_B两侧成对地出现DFB模式，每对DFB模式关于l_B对称，且对称的模式具有相同的阈值。这就造成IC-DFB-LD存在模式简并，阈值最低的那对DFB模式，由于阈值相同，将同时激射（图3.2-3）。单一平移对称IC-DFB-LD原理上是双模激射的：l=l_B±Dl，Dl=(m+1/2)l_B²/2nL（L：谐振腔长）。

图3.2-3：单一光栅DFB-LD双模工作：l=l_B±(m+1/2)l_B²/2nL。

图3.2-4：（a）左：920 nm波长GaAs/AlGaAs脊条IC-DFB-LD结构设计，右：DFB光栅扫描电镜图；（b）p/2（l/4）相移光栅示意图。

为了将辐射功率集中在同一主模上，同时使各振荡模式的阈值增益差增大，可以采用如下方法：（1）在光栅中引进一个p/2（l/4）相移（图3.2-4b）；（2）将解理面之一做成斜面或增透，造成非对称的端面反射率；（3）在有源区中靠近腔面的一小段区域上，没有Bragg光栅，形成无分布反馈的透明区；（4）对光栅周期进行适当啁啾。

相对于方法（2）（3）（4），方法（1）相对简单，制备成本低。即便如此，如图3.2-4的GaAs/AlGaAs的IC-DFB-LD的光栅周期约130 nm，制备所需光刻技术的成本很高。并且，还需要引入65 nm l/4相移（图3.2-4b），不能做成简单的单一平移对称的光栅，这又增加一层制备成本。所以，IC-DFB-LD制备难度远远大于FP-LD，从而，极大地增加了制造成本。而且，要求端面反射率很低，且易受到空间烧孔效应的影响。

（2）增益耦合

而GC-DFB-LD中，DFB模式不再关于l_B对称地出现，从而存在唯一的一个阈值最低的模式，可以实现单模激射，尤其是纯GC-DFB-LD，其最低阈值的DFB模式在l_B出激射，并且与次低模阈值增益差别很大，因而，GC-DFB-LD是单模激射的，模式选择能力好。

由于GC-DFB-LD本质上的单模工作特点和良好的模式选择能力，使得它在动态调制时仍然能够保持单模工作，即实现动态单模。

3.2.1.4、传统GC-DFB-LD的制造技术

目前，主流GC-DFB-LD的制造技术主要分为三类：

（1）增益光栅

这种方法直接在有源层上刻蚀光栅，或者在有光栅的衬底上外延生长非均匀有源层，但光栅刻蚀会引入大量的缺陷（非辐射复合中心），使得激光器阈值非常大，或者工作寿命短，甚至不工作。这些缺陷包括刻蚀引入的晶格损伤和刻蚀化学试剂的吸附污染。

衬底上的光栅，不可避免存在折射率光栅，因而无法实现纯增益耦合。折射率光栅会增加Bragg波长两边（l=l_B±Dl）的双模激射，

（2）吸收光栅

在有源层附近制作一个窄带隙材料的光栅，该光栅会对光场产生周期性的吸收，由此同样可以实现增益耦合。与增益光栅相比，吸收光栅制作简单，且可以减少有源层缺陷密度。但由于对吸收光栅带隙的要求，它与埋层的材料不可能一样，这样就不可避免同时存在折射率光栅，因而无法实现纯增益耦合。

另外刻蚀光栅后外延的有源层依然存在大量缺陷（主要是位错），其衰减作用同样使得激光器阈值非常大。

吸收光栅所存在的另一个问题是吸收饱和问题，这是由于光栅中产生的光生载流子不能及时逸出造成的，导致吸收光栅的光吸收区的吸收系数减小，这会引起耦合强度随输出功率发生变化，使得激光器工作的稳定性很差。极端情况是吸收光栅的光吸收区的吸收系数与光透过区的吸收系数是一样的，光栅效应消失，DFB效应为0。

（3）光栅分布式非均匀电注入

在有源层附近引入“导电类型反转”光栅，例如，在p型材料中制作门型的光栅，则会形成掩埋的栅结，其内建电势形成了阻止空穴迁移的势垒，因而从p区一侧向有源区注入的空穴只能由光栅间隙注入，形成非均匀电注入，在有源层中形成载流子浓度的周期性起伏。由于有源区的增益与注入载流子的浓度有关，结果在有源区引起了增益的周期性扰动，同样能够实现增益耦合。

然而，即使是同质材料里，折射率也会随载流子类型和浓度发生变化，有源层附近“导电类型反转”光栅，依然存在一定的折射率光栅效应；通过高速离子注入参杂，对晶格会产生大量破坏和引入大量点缺陷，形成漏电流，增大阈值。

3.2.1.5、传统DFB-LD技术的缺点

（1）传统GC-DFB-LD

上述主流GC-DFB-LD的制造技术，尽管可以实现一定程度的增益耦合。但是，存在如下的问题无法解决：

A、缺陷太多

无论是光刻，还是离子注入，依然会引入大量的缺陷，有时候对激光器的影响是致命的。为了减少缺陷，会增加很多复杂的器件工艺，从而加大了制备成本。

B、存在折射率光栅

无论是在衬底光栅上外延有源层、吸收光栅，还是“导电类型反转”光栅，不可避免存在折射率光栅，会产生折射率耦合效应，因而无法实现纯增益耦合。还会出现双模激射：l=l_B±Dl，造成输出模式不稳定现象。

C、制备成本高

目前主流的三类GC-DFB-LD的制造技术（增益光栅、吸收光栅、光栅分布式非均匀电注入），都需要进行光栅制备，光栅周期为L=l_B/2n，半导体激光器有源区的折射率n=3.0-4.0，大多数情况下，L<150 nm，与常规单横模FP-LD脊形宽W»10 mm相比，制备二者所需光刻技术的成本有天壤之别。相对于IC-DFB-LD，只是减少了光栅的l/4相移（图3.2-4b）的制备成本。

（2）IC-DFB-LD

单一平移对称IC-DFB-LD原理上是双模激射的：l=l_B±Dl，不仅没法实现单模输出，模式还非常不稳定；

尽管，在光栅中引进一个p/2（l/4）相移，解决了双模激射的问题。但是，p/2相移光栅的制备极大地增加了工艺的复杂性和难度，从而，极大地增加了制造成本。而且，要求端面反射率很低，且易受到空间烧孔效应的影响。

3.2.2、用途

DFB-LD是成熟较早、进展较快的一类激光器，于它的波长范围宽，易于大量生产，并且于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，目前已超过300种，最主要应用领域是Gb局域网：850 nm波长的半导体激光器适用于1 Gb局域网；1300nm-1550nm波长的半导体激光器适用于10 Gb局域网系统。

DFB-LD的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术。半导体激光器在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用，形成了广阔的市场。

1978年，半导体激光器开始应用于光纤通信系统，半导体激光器可以作为光纤通信的光源和指示器以及通过大规模集成电路平面工艺组成光电子系统。由于，半导体激光器有着超小型、高效率和高速工作的优异特点，所以这类器件的发展，一开始就和光通信技术紧密结合在一起，它在光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存贮、光计算机外部设备的光耦合等方面有重要用途。

半导体激光器的问世极大地推动了信息光电子技术的发展，到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源。半导体激光器再加上低损耗光纤，对光纤通信产生了重大影响，并加速了它的发展。因此可以说，没有半导体激光器的出现，就没有当今的光通信。GaAs/GaAlAs双异质结激光器是光纤通信和大气通信的重要光源，如今，凡是长距离、大容量的光信息传输系统无不都采用DFB-LD。

自20世纪80年代初以来，由于动态单纵模DFB-LD的研制成功和实用化，量子阱和应变层量子阱激光器的出现，大功率激光器及其列阵的进展，可见光激光器的研制成功，面发射激光器的实现、单极性注人半导体激光器的研制等等一系列的重大突破，使得半导体激光器的应用越来越广泛，半导体激光器已成为激光产业的主要组成部分，目前已成为各国发展信息、通信、家电产业及军事装备不可缺少的重要基础器件。

3.2.3、技术创新点和技术优势

我们具有世界独立知识产权的isLIP-MBE技术，能够在晶圆衬底上生长无缺陷的量子点阵列（QDA），以此为有源区，通过设计QDA的周期L，使l_B=2nL（n为有源区有效折射率）位于QDA的有效增益区内，可以制备量子点阵列增益耦合分布反馈激光器（QDA-GC-DFB-LD）（图3.2-5a），载流子注入后，会限制在QDA的量子阱阵列（QWA）内，从而形成增益光栅（图3.2-5b）。

图3.2-5：(a）简单的脊形波导FP-LD结构，有源层含有QDA，从而形成如(b)的增益光栅。

如上述3.2.1.4节所述，QDA-GC-DFB-LD中，DFB模式不再关于l_B对称地出现，从而存在唯一的一个阈值最低的模式，可以实现单模激射，尤其，我们的QDA-GC-DFB-LD是纯GC-DFB-LD，其最低阈值的DFB模式在l_B出激射，并且与次低模阈值增益差别最大，因而，QDA-GC-DFB-LD是高边模比（SMR: Side Mode Ratio）的单模激射的。

我们技术的优势

与传统DFB-LD相比，我们的QDA-GC-DFB-LD具有如下优势：

A、相比传统GC-DFB-LD：

无缺陷

因为我们的QDA是激光原位诱导自组装生长的，没有传统GC-DFB-LD因光刻或者离子注入引入的缺陷，我们的QDA-GC-DFB-LD在有源区是无缺陷的，从而具有如下优点：

(1)    能极大地减少激射阈值。因为没有缺陷导致的吸收损失；

(2)    增加输出功率。因为没有缺陷导致的吸收损失；

(3)    增加使用寿命。因为缺陷是降低半导体激光器使用寿命的关键因素之一。

没有折射率光栅

传统GC-DFB-LD不可避免存在折射率光栅，会产生折射率耦合效应，还会出现双模激射，造成输出模式不稳定现象。

而我们QDA和有源层材料具有相似的折射率，整个有源层折射率没有出现周期性变化，或者折射率周期性变化不足以形成折射率光栅。

制备成本低

因为，QDA本身能形成增益光栅。所以，QDA-GC-DFB-LD的器件结构只需要满足常规单横模FP-LD的结构就行。

目前主流的三类GC-DFB-LD的制造技术都需要进行光栅制备，光栅周期L<150 nm，与常规单横模FP-LD脊形宽W»10 mm相比，制备二者所需光刻技术的成本有天壤之别。

B、相比传统IC-DFB-LD：

制备成本大大降低

单一平移对称IC-DFB-LD原理上是双模激射的：l=l_B±Dl，不仅没法实现单模输出，模式还非常不稳定。要实现动态单纵模输出，必需在光栅中引进一个p/2（l/4）相移。但是，p/2相移光栅的制备甚至比GC-DFB-LD光栅的制备难度都要大很多，从而，极大地增加了制造成本。同理，QDA-GC-DFB-LD的器件结构只需要满足常规单横模FP-LD的结构就行，器件制备成本大约只有IC-DFB-LD的10%。

而且，IC-DFB-LD要求端面反射率很低，需要进行端面减反镀膜，而这个成本在QDA-GC-DFB-LD是没有的。

无空间烧孔效应

IC-DFB-LD易受到空间烧孔效应的影响。而QDA-GC-DFB-LD不受这个因素的影响。

该技术已申请发明专利保护。

3.2.4、半导体量子点的其他优势

相比半导体量子阱激光器（QW-LD），量子点激光器（QD-LD）不仅阈值电流密度低（J_th (QD-LD) < J_th (QW-LD)/3），温度稳定性好（T₀(QD-LD) > 5T₀(QW-LD)），而且，调制速率高（达到25Gb/s），线宽增强因子低，抗腔外反馈强（图3.2-6）。

图3.2-6：腔外反馈对(a）QD-LD和(b)QW-LD模式的调制。

随着接入网络和光子集成电路的发展，收发器需要大量低成本、可靠的直接调制激光器。在任何光发射机中，光隔离器都是必不可少的部件，用于阻挡外部反馈光返回激光器，使激光器工作在稳定的单模低噪声状态。然而，隔离器的成本通常与消费类产品的激光芯片本身相当甚至更高。在保持性能稳定的同时，将隔离器从发射器中移除是非常理想的。这也将有利于在片上隔离器不可用的片上激光源。然而，在实际的光纤通信系统中，端面反射引起的光反馈最大值可达13.2%（-9 dB）。如此高水平的反馈将严重破坏广泛使用的QW-LD。反馈下的QW-LD可能会遇到一种或几种不利影响，包括过度噪声、线宽加宽、无阻尼弛豫振荡，甚至相干崩溃[2]。基于量子阱结构的反馈不敏感激光器的实现仍然具有挑战性。

由于载流子的三维限制，QD-LD具有较低的线宽增强因子、较高的阻尼和较短的载流子寿命。即使在强反馈情况下，QD-LD仍然可以在稳定的条件下工作，这可以通过光谱的稳定性和相对强度噪声来观察。当用作外部调制的连续波(CW)源时，对于10 Gbps开关键控外部调制，QD-LD在高达-7.4 dB的反馈电平下表现出非常稳定的性能（图3.2-6）。这表明QD-LD可以成为用于光纤通信和片上光子学系统的无隔离器CW源的有希望的候选者。

3.2.5、可行性分析

根据工艺流程，具体工艺分析如下：

（1）设计QDA-GC-DFB-LD的材料结构；

（2）按照上述设计结构，用isLIP-MBE技术生长激光器结构；

（3）设计单横模FP-LD器件结构；

（4）按上述器件结构，制备QDA-GC-DFB-LD。

上述工艺流程合理，操作简单，过程可控。而且，器件制备所需的光刻机，分辨率只需1-5 mm即可，市面上最廉价的商业化光刻机就能胜任，无需分辨率达到50 nm的昂贵光刻机。

3.2.5、成熟性分析

上述工艺流程中主要涉及二类技术：isLIP-MBE技术和FP-LD制备技术，由3.1节可知，isLIP-MBE技术是成熟的，FP-LD制备技术是市面上半导体激光器制备中技术含量最低的那种，当然是成熟的。

本项目，将这二类技术简单地对接在一起，构成QDA-GC-DFB-LD技术，这二类技术各自完全独立，除了器件结构设计要兼顾两类技术各自特点，工艺过程互不影响。所以，QDA-GC-DFB-LD制备技术是成熟的。

3.3、半导体量子点阵列存储器

3.3.1、介绍

3.3.1.1、传统存储器

目前数据存储技术主要分成三种：磁存储器、光电存储器和半导体存储器。其中半导体储存器：体积小、存储时间长、读取速度快。半导体存储技术可以分为易失性（Volatile）和非易失性（Nonvolatile）两种。易失性存储器主要特点为断电后数据丢失，但因其技术成熟、读写速度快、寿命长的优点，易失性存储器是目前半导体存储技术的主流，其主要代表为动态随机存储器（dynamic random access memory: DRAM），是所有计算机内存的核心部分。而非易失性存储器特点为断电后数据不会丢失，目前技术最或熟的代表为快闪（FLASH）存储器，应用于所有便携设备的数据存储系统中。这两种存储器在读写速度、寿命、功耗、存储时间方面都有各自的优势，但是仍然有一些不可避免的劣势严重制约其进一步发展。

动态随机存储器（DRAM）

易失性型存储器DRAM是靠MOS电路中的栅极电容来记忆信息的，通过判断电容中有无电荷来定义数据"1"和"0"。优势是DRAM读写速度非常快（~20 ns），缺点是存储时间非常短、存储容量小、功耗大。

快闪存储器（FLASH）

非易失性存储器主要代表FLASH，是移动存储设备中应用最广泛的存储器，FLASH存储时间长（10年）。但是，写入速度慢（~10 ms）、寿命短（只有10⁶次读写循环）。

3.3.1.2、量子点存储器（QDM）

量子点以其独特的性质渐渐受到人们自关注，将其应用于存储技术中，有望取代DRAM和FLASH，成为未来一种主流的薪型的半导体存储技术。

图3.3-1：不同材料系统的量子点局域能与存储时间的关系(实心圆为实验数据，空心圆为预测数据)。

基于量子点的独特性质，QDM可以兼具FLASH和DRAM两种存储器的住点，并能够达到更进一步的突破：

1、量子点俘获载流子的过程是一种电子弛豫过程，该过程的持续时间为皮秒（ps）量级，因此用量子点来实现数据存储，其读写速度非常诀。这一特点为实现未来完美存储器提供了很大的可能性。

2、由于泡利不相容原理，量子点每个分立能级所占据的电子数自有限，因此每个量子点所存储的载流子数目仅为几个到几十个，这样大大降低了QDM的功耗。另外，这种存储器不要求激发热电子来充电，只需较小的电压就可以工作。

3、DRAM中的个别电容漏电或FLASH中个别浮栅电荷逃逸都会使相应存储单元的数据丢失，而QDM中多个量子点作为一个存储单元，量子点之间是空间分离的，因此个别量子点电荷逃逸不会影响其他量子点中的电荷，因而不会导致存储数据的丢失。

4、不断减少存储单元所包含的量子点数目，即可减少存储单元的尺寸，提高存储密度。只要工艺水平达到要求，可以实现单个量子点作为一个存储单元，其尺寸能达到几十纳米，是目前半导体工艺的极限。也就是说，QDM的存储容量和集成度可以达到极致。

5、量子点对电荷的限制能力决定了存储器的数据存储时间，两者具有指数依赖关系。这种限制能力取决于量子点的局域能和对电子的热激活能的大小，采用合适的材料体系亲生长具有很大局域能量的量子点，并采用新型结构来提高热激活能，即可增加QDM的数据存储时间。如图3.3-1所示为不同材料系统的量子点局域能与存储时间的关系图。其中预测的GaSb/AlAs量子点材料QDM数据存储时间可以达到100万年。

表1：三种存储器性能参数比较（“ü”表示性能“好”，“û”表示性能“差”）

综上所述，尽管QDM兼具DRAM的读写速度非常快和使用寿命很长，以及FLASH的存储时间长，等优点。然而，如本项目“1.1节”所述，传统量子点生长技术只有两种：（1）光刻图形化后再生长量子点；（2）自组装生长量子点。以这些量子点制备的QDM，具有如下无法解决的问题：表1所示为QDM各项性能参数的理论指标与DRAM和FLASH的对比，可以看出，QDM在各个方面都性能优异，对信息产业具有重大的意义：自前的CPU主频己经达到3 GHz以上，这就意味着要求0.33 ns以下的读写时间，DRAM 的20 ns读写速度对CPU性能提升是个瓶颈。量子点存储器写入速度主要由载流子从带边进入量子点能态的弛豫时间决定，重论上能到达ps量级，比DRAM快4个数量级。量子点存储信息所需的电荷数非常少，如果能达到单量子点存储，那么存储器的功耗会非常低，同时集成度也能得到显著提高，存储容量会非常大。因此，非易失性、高速、低功耗、存储容量大、集成度高、存储时间长等潜在优势使量子点存储器在未来有可能完全取代内存、硬盘及其他可移动存储设备，满足存储应用的各方苗需要。

（1）光刻图形化后再生长量子点

以此制备的QDM，可以有效地实现存储单元的寻址。但是，超过半导体器件允许的缺陷密度1000倍以上的量子点材料，使得由此制备的QDM的载流子全部被光刻缺陷产生的深能级捕获，致使其无法工作（表2），

表2：传统刻蚀引入的缺陷密度与半导体器件允许的缺陷密度

（2）自组装生长量子点

（a）无法准确可靠地寻址：

其成核时间、位置、大小，是由应力诱导的统计涨落的结果，不可能准确地知道量子点在何处形成。如果器件尺寸减小到与量子点之间间距相当，这样的不可控性甚至引发无法寻址的问题（图3.3-2(a)）。

（b）串扰：

现在能够大规模制备存储器的自组装半导体量子点，都是S-K模式下在晶圆上生长形成：量子点材料先在晶圆衬底进行2D层状生长，这些2D生长的层叫浸润层（wetting layer: WL），在固体能带结构中形成一个量子阱结构。在浸润层厚度超过临界厚度时，在应力地作用下，进行3D聚堆，形成量子点。这样，量子点都坐落在同一材质的浸润层上，在固体能带结构中，局域的量子点的载流子限制阱只是浸润层量子阱结构的调制，量子点势阱里的载流子可能会通过浸润层量子阱进行串扰（图3.3-3(a)）。这样的串扰可能会让QDM存储信息失真。

（c）单电子量子点存储器的困境：

从表1-1可知，传统存储器单个存储单元的电子数在10³-10⁵之间，相比单电子存储器，其写入电流是10³-10⁵倍，功耗也是相应的倍数。如果量子点足够小，单个存储单元的电子数可以只有一个，或少数几个，这样，功耗就会大大降低。但是，自组装量子点的生长有一个特点：密度与大小是相互制约的，如果大小足够小，密度就会非常大，单个存储单元就会包含非常多的量子点；反之，如果密度足够小，单个量子点的大小就会非常大，量子点内存储的电子数就会非常多。所以，自组装量子点很难实现单电子存储，甚至少数几个电子的存储都非常困难。

（d）与Si基技术集成的困境：

III-V族材料具有很高的迁移率，对量子点存储器的写入速度有很大的提高。Si基技术无论从集成度和集成电路技术的成熟程度都是III-V族材料无法比拟的。但是，Si晶圆上生长III-V材料的兼容性问题尽管已经有超过30年的探索，至今仍然没有在商业应用上形成突破，其中一个最大的障碍就是Si与III-V材料的热膨胀系数相差太大（热失配），器件工作产生的热容易在两种材料的界面产生巨大的应力而产生大量的位错缺陷（图3.3-4(a)），形成深能级而捕获载流子，使得器件无法工作。

3.3.2、用途

广泛应用于电脑、手机等需要存储器的一切电子产品中。

3.3.3、技术创新点和技术优势

（a）缺陷问题：

本项目将使用的isLIP-MBE技术生长的量子点阵列（QDA），不仅大小和空间分布均匀、可控，而且像传统自组装那样可以做到无缺陷或缺陷密度远远低于器件可以工作的缺陷密度极限。用这样的QDA制备的存储器QDAM，具有如下特点：

（b）寻址问题：

因为isLIP-QD是可控的点阵分布，非常容易的实现寻址，如图3.3-2(b)。

(a)

(b)

图3.3-2：量子点存储器的寻址：(a)无法准确地对自组装（SA）量子点的SA-QDM进行有效的的寻址；(b)可以准确地对is LIP-MBE技术制备的isLIP-QDAM进行可靠有效的寻址。

图3.3-3：(a)传统自组装量子点之间可能的相互串扰；(b) isLIP-MBE技术生长的量子点之间没有同质材料连接，相互串扰的可能性大大减少。

（c）可能的串扰：

传统自组装量子点是生长在浸润层上面，可能导致量子点之间载流子的相互串扰，从而造成QDM各存储单元的串扰；而isLIP-MBE技术生长的量子点，因为量子点之间的量子点材料被选择性脱附，量子点之间没有同质材料连接，相互之间距离只要足够远，量子点势阱限制的载流子就不会相互串扰，isLIP-QDAM的各存储单元之间就不会相互串扰。

（d）单电子存储器：

isLIP-MBE技术生长量子点，由于可以对量子点材料进行选择性脱附，且这种脱附与激光光强的关系是非线性的，通过控制激光功率，可以控制制备的量子点，在单个的格点上只有一个足够小的量子点，这样的量子点势阱内只能容纳一个激子（局域电子-空穴对）或几个电子-空穴对，从而可以实现单电子或几个电子的存储。

（e）与Si基技术的集成：

用isLIP-MBE技术在Si基上生长III-V族量子点，可以控制每个格点上只有一个极小的量子点，绝大部分沉积在Si基上的III-V族量子点材料被选择性地从Si基上被脱附掉。剩下独立分布地小尺寸的III-V族量子点与Si基之间地热失配就能控制在不引发位错地临界值以内。从而解决热失配这个困扰了晶圆III-V/Si异质外延几十年的问题。

图3.3-4：(a)传统Si基生长III-V族材料，为压制反相畴，需要生长很厚的III-V缓冲层，积累热失配应力会导致III-V层大量位错；(b) isLIP-MBE技术生长的独立分布地小尺寸的III-V族量子点与Si基之间地热失配能控制在不引发位错地临界值以内。

3.3.4、可行性分析

根据工艺流程，具体工艺分析如下：

（1）设计QDAM外延材料结构；

（2）用isLIP-MBE技术外延生长QDA晶圆材料；

（3）外协流片制备QDAM；

（4）测试器件参数，来反馈和优化激光参数、生长参数和器件流片工艺。

上述工艺流程清晰，材料生长过程简单、可控。而外协存储器晶圆流片技术已经非常成熟，可控。所以，总体工艺流程是可控的。

3.3.5、成熟性分析

上述工艺流程中主要涉及二类技术：isLIP-MBE技术和存储器制备技术。存储器制备技术超过30年以上历史，属于非常成熟的、客户众多的技术；由3.1节可知，isLIP-MBE技术是成熟的。

本项目，将这二类技术按一定的设计，前后分别独立使用，构成QDAM技术。它们是相互独立的工艺简单的前后秩序的关系，除了在设计上要相互照应，在设备使用上，没有相互叠加使用的情况，不存在设备技术在集成上的相互制约。所以，只要这二类技术是成熟的，QDAM制备技术是基本成熟的。

3.4、外延级无缺陷原子精度光刻

3.4.1、介绍

3.4.1.1、光刻机之殇

图3.4-1：ASML的光刻机，图中蓝色部分，是光路分布示意图。

在今天的半导体芯片内，包含了几亿到几十亿个晶体管。工程师完成设计工作后，将图形文件提交给半导体工厂，半导体工厂需要备齐各类原材料与制造设备，制作出一颗颗芯片。半导体芯片分为两类：分立器件和集成电路。集成电路是将多个晶体管、二极管、电阻和电容等元件互连在同一个晶片上，所构成的芯片。从1970年代开始到2010年代中期，集成电路由摩尔定律指引，每两年在同样大小的半导体芯片上集成的晶体管数目增加一倍，使芯片的制作愈发艰难。摩尔定律推动了集成电路的进步，也使得半导体设备所需提供的精度，从毫米开始，过渡到微米，最后步入到纳米世界。

光刻是半导体集成电路技术的核心，现代半导体晶圆制作中，光刻占据了大约40~50%的时间，其他制作步骤紧密围绕着光刻进行。因此半导体产业的所有制造设备可以简约为两类，光刻与辅助光刻的设备。

中国在半导体的设备、材料、制造与设计，这四个领域全面处于下风，面对来自美国发起的半导体之战，中国没有反制措施。这也是美国在贸易战中，选择半导体产业作为先锋的重要原因。

中国半导体产业之殇，始于上游：包括与光刻直接相关的设备与材料。其中最重要的设备当属光刻机。荷兰的ASML（图3.4-1）在高端光刻机阵地独占鳌头。最好的光学系统来自德国的卡尔蔡氏。在中国还在打鸦片战争时，这家公司就在专心致志地磨镜头，至今还在磨。日本人的执着，使Nikon与Canon在光学系统中，也有一席之地。

在这个上游之上，较量的是物理、化学等基础学科。我们的落后，不是因为不够聪明，恰是太过聪明。上游产业不需要聪明人，需要愿意破釜沉舟，十年磨一剑的傻瓜。至今中国这个产业的落后已是悬崖百丈冰，只可徐徐图之。

几亿美元一台的售价，包含的不仅仅是高额垄断利润，更是复杂的光路设计（图3.4-1蓝色部分）和先进的光路稳定性控制。我们要在这方面攻坚突破，非一朝一夕之功。

3.4.1.2、传统光刻在纳米器件中的劣势

传统光刻能制备纳米结构的技术有ASML深紫外光刻机、电子束光刻（EBL）、聚焦离子束光刻（FIB）、纳米压印（NIL），它们都有各自的劣势：

（a）禁运：

ASML深紫外光刻机对中国禁运。2019年11月7日，荷兰光刻机巨头ASML将暂时中止为“中国客户”中芯国际供应“极紫外光(EUV)微影设备”。

（b）缺陷太多：

图3.4-2：传统光刻技术（a-c）和本项目isLaP-MBE技术（d-f）产生缺陷示意图：（a）和（d）刻蚀产生缺陷的过程；（b）和（e）缺陷区和耗尽区；（c）D、D’：设计载流子通道宽度，d、d’：实际载流子通道宽度，D、D’：刻蚀缺陷导致的载流子耗尽厚度。

包括ASML光刻机、EBL、FIB和NIL的传统刻蚀留下的化学污染和晶格损坏，在再外延生长过程中，引入的缺陷和杂质的密度对外延半导体而言破坏性是巨大的，这些缺陷和杂质通常在半导体禁带中引入大量的深能级局域态，在固体能带框架下，表现为能带间隙中的深能级，这些深能级通过对附近一定区域内的载流子的捕获形成载流子的耗尽，而成为没有自由载流子的绝缘区，使原本已经非常小的纳米器件结构的载流子通道变窄甚至被堵死（图3.4-2c）。这一点特别对越来越精细的光刻结构除了量子尺寸效应外，又一个挑战：载流子堵塞。

（c）耗时：

包括ASML光刻机的集成电路光刻流程和对环境的要求是极其复杂的，除非大规模生产，才能降低经济和时间消耗的成本；

EBL和FIB每刻蚀1 cm²高密度纳米结构，需要10小时以上，并且长时间的可靠性很差，只能适合小面积的学术研究。

（d）相对于纳米结构的光刻精度小：

常规光刻厚度的控制基本上不可能控制在1 nm以下，而尺寸小于10 nm的纳米结构的尺寸精度常常要求在1 nm以下。这样的要求，最精确的ASML光刻机也是很难做到的。这可能是INTEL是这样的大公司放弃特征尺寸8 nm以下的集成电路制备的原因。

3.4.2、用途

广泛应用于集成电路的光刻工艺中，特别是集成电路工艺中，外延和光刻工艺过程相邻的情况。

3.4.3、技术创新点和技术优势

......

【因专利保护公开期尚未到期，此部分暂时不公开】

技术创新点和技术优势：

相对上述传统技术的劣势，isLaP-MBE技术有如下优势：

（a）自主研发：

isLaP-MBE技术是在我们国际原创的、有国际专利保护的isLIP-MBE技术的基础上，通过光路系统的改进的技术，我们正在申请专利保护；

（b）无缺陷：

做半导体外延材料的人都知道，半导体材料的发光是对缺陷非常敏感的。因为，有源区任何微小的缺陷，都是载流子散射和捕获中心。前期的isLIP-MBE的光荧光研究指出，光致原子脱附后，发光强度和常规无缺陷外延自组装生长的材料一样。这表明，光致原子脱附不引入晶格破坏的缺陷，而这样的光致脱附发生在MBE真空室内，也不会有外来元素污染。这样，isLaP-MBE工艺结束后，就只有常规晶圆表面自然形成的台阶这样的表面缺陷，它引发的载流子散射中心而形成的表面缺陷造成的载流子耗尽厚度远远小于常规光刻缺陷引发的载流子耗尽厚度（图3.4-2）。所以，isLaP-MBE技术不额外引入材料缺陷。特别是对非常小的纳米器件结构的载流子通道截面面积的减少远远低于常规光刻。

（c）省时：

前期isLIP-MBE研究得知，整体结构的制备可以在一次极短的（<1秒）激光照射的时间内完成。isLaP-MBE技术是从isLIP-MBE技术衍生出来的，也可以在<1秒的时间内完成一次光刻。相对于常规光刻技术，这样的时间间隔和0没什么区别。

（d）纵向光刻达到原子层级别：

前期isLIP-MBE原子脱附的精度可以控制在1个原子层（~0.25 nm），这样的精度是常规光刻技术的10倍以上。

该技术已申请发明专利保护。

3.4.4、可行性分析

......

【因专利保护公开期尚未到期，此部分暂时不公开】

3.4.5、成熟性分析

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【因专利保护公开期尚未到期，此部分暂时不公开】

4、产业化市场

4.1、isLIP-MBE技术

核心技术——isLIP-MBE，具有自主知识产权，主要用于定位生长长程有序、可控、无缺陷的外延半导体量子点材料，可用于：

a)     分布反馈激光器、量子点存储器、性能高于传统半导体量子点材料的红外探测器；

b)    太阳能电池和半导体激光器等目前由于传统外延技术不可控的局限尚无法大规模产业化的高端半导体器件；

c)     单量子发射源和量子计算等传统外延技术不可能实现的材料生长。

全球分子束外延系统市场规模预计在2026年将达到1.11亿美元，生产集中在欧美，国内目前以进口为主。

4.2、QDA-GC-DFB-LD

分布反馈半导体激光器（DFB-LD）的应用范围目前覆盖了整个光电子学领域：激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器……凡是长距离、大容量的光信息传输系统无不采用DFB-LD；

2023年，我国半导体激光产业市场规模将接近300亿元（图4-1）。

图4-1：半导体激光器市场及预测。

图4-2：存储器市场。

4.3、QDAM

我们的QDAM，兼备DRAM和FLASH的优点：读写速度快、存储时间长、寿命长、功耗低。完全具备替代DRAM和FLASH市场，甚至整个存储器市场的潜质。

2020年市场规模达2000亿美元（图4-2）。

4.4、isLaP-MBE

光刻是半导体集成电路技术的核心：半导体产业的所有制造设备可以简约为两类，光刻与辅助光刻的设备。中国在半导体的设备、材料、制造与设计，这四个领域全面处于下风，面对来自美国发起的半导体之战，中国没有反制措施。中国半导体产业之殇，始于上游：包括与光刻直接相关的设备与材料。

光刻机市场，保守估计有1000亿美元以上。

图4-3是全球集成电路制造光刻机出货情况。

图4-3：全球集成电路制造光刻机出货情况

~全文完~

[[1]]诺贝尔物理学奖提名。

[[2]]欧盟科学家是极少使用breakthrough这样的溢美之词来评审项目和成果的。