以规则排列的量子点生长

　　摩尔纹图案：在这里，用数码相机拍摄了一个绿屏。数码相机中的显示器和半导体芯片都有一个规则的像素网格。光学透镜系统在图像生成过程中叠加叠加和最小失真，导致强烈的图像伪影。图片来源：Arne Ludwig
　　量子点有朝一日可以构成量子计算机的基本信息单元。波鸿鲁尔大学（RUB）和慕尼黑工业大学（TUM）的研究人员与哥本哈根和巴塞尔的同事合作，决定性地改进了这些微小半导体结构的制造工艺。量子点在晶圆上生成：一个薄的半导体晶体盘。迄今为止，晶圆上这种结构的密度一直难以控制。现在，研究人员可以有针对性地创建特定的安排，这是朝着预期具有大量量子点的适用组件迈出的重要一步。
　　该团队于2022年3月28日在 《自然通讯》 杂志上发表了研究结果。该研究由RUB应用固体物理学主席的Nikolai Bart，Andreas Wieck教授和Arne Ludwig博士领导的小组与TUM半导体纳米结构和量子系统研究小组的Christian Dangel和Jonathan Finley教授领导的团队以及哥本哈根大学和巴塞尔大学的同事合作进行。
　　像森林里的蘑菇
　　量子点是半导体中狭义定义的区域，例如，可以限制单个电子。这可以从外部操纵，例如用光，这样信息就可以存储在量子点中。来自波鸿的研究人员是生产量子点的专家。他们在由半导体材料制成的晶圆上创建结构，该硅片的大小与啤酒杯垫差不多。量子点的直径仅为约30纳米。
　　＂我们的量子点曾经像森林里的蘑菇一样生长，＂安德烈亚斯·维克（Andreas Wieck）描述了最初的情况。＂我们知道它们会出现在晶圆上的某个地方，但不确切在哪里。然后，研究人员在森林中选择了一种合适的蘑菇进行量子点实验。
　　初步栽培实验
　　晶圆的测量（红色圆圈）：色标显示晶圆上的量子点在1，000至1，300纳米的波长下发射多少光 - 发射越高，量子点的密度越高。虚线显示了高量子点密度的棋盘式进展。图片来源：Nikolai Bart/Marcel Schmidt
　　在一些初步实验中，该团队已经试图影响晶圆上量子点的增长。物理学家用聚焦离子在单个点上照射晶圆，从而在半导体晶格中产生缺陷。这些缺陷就像凝聚原子核一样，引发了量子点的生长。＂但是，正如栽培蘑菇的味道有些平淡，而森林蘑菇的味道很好一样，以这种方式产生的量子点的质量不如自然生长的量子点高，＂Andreas Wieck说。它们没有完美地辐射光线。
　　因此，该团队继续研究自然生长的量子点。在实验中，将啤酒杯垫大小的晶圆切成毫米小的矩形。他们无法一次分析整个晶圆，因为RUB设备的真空室根本不够大。然而，研究人员观察到，一些晶圆矩形包含许多量子点，而另一些则包含很少的量子点。＂起初，我们没有注意到它背后的任何系统，＂Andreas Wieck回忆道，因为研究人员从未见过全貌。
　　高质量量子点
　　为了深入探讨这个问题，波鸿团队与TUM的同事合作，他们在早期阶段就拥有了一个具有更大样品室的测量设备。在这些分析过程中，该小组发现晶圆上量子点密度高和低的区域分布奇怪。＂这些结构强烈地让人联想到数字图像中经常出现的摩尔纹图案。我很快就想到，它实际上必须是一个同心图，即环，并且这些环可以与我们的晶体生长相关，＂Arne Ludwig解释说。更高分辨率的测量确实表明量子点的密度是同心分布的。随后，研究人员证实，这种安排是由于制造过程。
　　在第一步中，晶圆涂覆额外的原子层。由于涂层系统的几何形状，这会产生具有完整原子层的环形结构，即在层中的任何一点都没有原子缺失。在环之间，形成了类似的宽区域，缺乏完整的原子层，因此由于缺少单个原子而具有更粗糙的表面。这对量子点的增长有影响。＂为了坚持图像：蘑菇更喜欢生长在森林地面上，而不是在混凝土表面上，即在晶圆上的粗糙点上，＂Andreas Wieck说。
　　研究人员优化了涂层工艺，使粗糙区域以固定的间隔（小于一毫米）出现在晶圆上，并且环相交。这导致了一种几乎像棋盘一样的模式，具有高质量的量子点，正如巴塞尔和哥本哈根的研究人员所证明的那样。