具体实施方式

现将详细地提供本发明实施方式的参考，其一个或多个实例描述于下文。提供每一实例作为解释而非限制本发明。实际上，对本领域技术人员而言，显而易见的是，可以对本发明进行多种修改和变化而不背离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施方式的部分而说明或描述的特征可以用于另一实施方式中，来产生更进一步的实施方式。

因此，旨在本发明覆盖落入所附权利要求的范围及其等同范围中的此类修改和变化。本发明的其它对象、特征和方面公开于以下详细描述中或从中是显而易见的。本领域普通技术人员应理解本讨论仅是示例性实施方式的描述，而非意在限制本发明更广阔的方面。

除了在操作实施例中所示以外或另外表明之外，所有在说明书和权利要求中表示成分的量、物化性质等所使用的数字理解为在所有情况下通过术语“约”来调整。例如，因此，除非有相反的说明，否则上述说明书和所附权利要求书中列出的数值参数均是近似值，本领域的技术人员能够利用本文所公开的教导内容寻求获得的所需特性，适当改变这些近似值。用端点表示的数值范围的使用包括该范围内的所有数字以及该范围内的任何范围，例如，1至5包括1、1.1、1.3、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5等等。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

术语“马约拉纳零模”是一种能量为零的准粒子激发，被预言存在于拓扑超导体系中。由于其遵循非阿贝尔统计，可用于拓扑量子计算。

术语“VLS(vapor–liquid–solid mechanism)”是一种组合式的生长方法。在生长系统中同时存在着气、液、固三种物质状态，要生长的物质首先从气态变成液态(一般为溶液)，然后再由液态沉积在晶体衬底上生长出晶体。

术语“外延生长”是指在单晶衬底(基片)上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了一段。外延生长需要衬底和生长在衬底上的物质的晶格匹配度非常好。

术语“分子束外延技术”是指在衬底上外延生长薄膜材料，在超高真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温度的单晶基片上，就可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。术语“分子束外延选区生长方法”是在衬底上通过微纳加工定义好具有特定图案的掩模材料，使衬底部分裸露，在裸露的衬底区域生长薄膜材料，从而实现“选区外延”，在分子束外延生长过程中，由于对衬底的选择性，材料只会在裸露的衬底区域附着。该方法适合用于生长纳米线等低维材料。

术语“甩胶”是指将胶液均匀甩开，并平铺到材料表面，例如“在掩模上甩正性电子束光刻胶”是指将正性电子束光刻胶的胶液均匀甩开，并平铺在掩模上。

术语“超导近邻效应”是指当常导体或者半导体的薄膜覆盖在超导体表面上时，若薄膜厚度小于Cooper电子对的相干长度，则此覆盖上去的薄膜都将变为超导体，超导材料会在半导体材料中诱导出超导能隙。此现象即称为超导体的邻近效应。该“超导近邻效应”在升高温度或者加磁场后，超导性质会被抑制，观测到的超导能隙会逐渐缩小直至消失。

请参阅图1，本发明实施例提供一种超导-半导体纳米线异质结，包括：衬底1，以及生长在所述衬底1上的半导体纳米线11和超导体层12，所述超导体层12至少一部分与所述半导体纳米线11直接接触。

其中，半导体纳米线11的材料为化合物半导体PbTe，超导体层12的材料为元素超导体Pb，衬底1的材料为化合物半导体CdTe。

所述生长为外延生长，所述外延生长为完全的面内共晶格生长。

在一些实施方式中，半导体纳米线11长为3μm～5μm，宽为0.05μm～0.3μm。

在一些实施方式中，半导体纳米线11平行于所述衬底1表面。由于PbTe和CdTe的晶格匹配度高，更有利于半导体纳米线11平行于所述衬底1表面生长，这样可以精确定义纳米线的位置，后续器件制备过程中无需再转移纳米线。，有利于器件的大规模集成

衬底1上生长有至少一条半导体纳米线11。在一些实施方式中，衬底1上生长有多条相互平行设置的纳米线11。在另一些实施方式中，衬底1上生长的纳米线11呈网格结构设置。

在一些实施方式中，半导体纳米线11和超导体层12构成超导-半导体纳米线异质结，所述超导-半导体纳米线异质结界面达原子级平整，可以避免界面无序导致的问题，由此制备的器件具有更好的性能。

在一些实施方式中，半导体纳米线11上部分覆盖超导体层12。半导体纳米线11上部分覆盖超导体层12，在极低温下通过强磁场及电场调控，可以使半导体纳米线11表面被超导体层12覆盖的区域变成拓扑超导区，其末端可以探测到“马约拉纳零模”，由此，该超导-半导体纳米线异质结可以作为拓扑量子比特的基础载体。在一些优选实施方式中，所述半导体纳米线的一端有1/3～2/3的长度被所述超导体层覆盖。

在一些实施方式中，所述纳米线的两端被超导覆盖，中间留有100nm～300nm的区域未被所述超导体层覆盖，形成超导约瑟夫森结。

本发明实施例还提供一种上述超导-半导体纳米线异质结的制备方法，包括以下步骤：

在CdTe衬底上镀掩模；

在所述掩模上甩预设厚度的HSQ Fox-系列电子束光刻胶，并经电子束曝光显影后在所述掩模上形成光刻胶三维图形；

在所述掩模及所述光刻胶三维图形上甩正性电子束光刻胶，并经电子束曝光显影后在所述掩模上形成凹槽；

刻蚀除去所述凹槽中的掩模，并除去正性电子束光刻胶；

利用分子束外延技术在所述凹槽中的CdTe衬底上生长PbTe纳米线，并使所述光刻胶三维图形相对Pb束流方向倾斜预设角度，以使得所述光刻胶三维图形的投影部分遮挡部分PbTe纳米线，并在未遮挡部分原位生长Pb以形成异质结。

在一些实施方式中，HSQ Fox-系列电子束光刻胶为HSQ Fox-15或HSQ Fox-16；所述预设厚度为500nm～1000nm。优选的，HSQ Fox-系列电子束光刻胶为HSQ Fox-16。

在一些实施方式中，光刻胶三维图形的形状不做特别限制，以使特定选区的纳米线上不会覆盖上异质结即可，在本发明中为了方便起见，光刻胶三维图形为长方体或正方体，优选为长方体。更优选的，光刻胶三维图形的长为1μm～5μm，宽为100nm～500nm。

在一些实施方式中，所述正性电子束光刻胶为本领域常用的正性电子束光刻胶，包括但不限于PMMA、S18xx系列g-Line、SPR955系列i-Line、BCI-3511i-Line等。

在一些实施方式中，可以用有机溶剂或氧等离子体除去正性电子束光刻胶，所述有机溶剂可以为丙酮、二甲苯、N-乙基吡咯烷酮、N-甲基吡咯烷酮等。

在一些实施方式中，凹槽的长为3μm～5μm，宽为0.05μm～0.3μm。

在一些实施方式中，预设角度为20°～70°。

在一些实施方式中，凹槽与光刻胶三维图形之间的距离为120nm～300nm。

在一些实施方式中，掩模可以根据所需生长的半导体纳米线材料进行选择性替换，以半导体纳米线材料无法附着其上为准，通常为氧化物薄膜，例如可以为Al₂O₃薄膜、SiO₂薄膜或HfO₂薄膜等。

在一些实施方式中，掩模的厚度可以为10nm～40nm。

本发明通过在衬底上镀不适于生长半导体纳米线的掩模，实现了半导体纳米线的选区生长。

在一些实施方式中，镀掩模的方法可以为本领域任意一种镀薄膜的方法，例如可以为磁控溅射、分子束外延、电子束蒸镀、热蒸镀或化学气相沉积。

在一些实施方式中，刻蚀掩模的方法根据掩模的性质选用常用的刻蚀方法即可，例如可以为干刻法或湿刻法，优选为湿刻法。比如，当掩模为Al₂O₃薄膜时，可以选用常用于刻蚀铝的溶液，例如Transene铝刻蚀液或质量浓度为25％的TMAH溶液；当掩膜为SiO₂薄膜时，可以选用质量浓度为1％的HF溶液。

在一些实施方式中，利用分子束外延技术在凹槽中的衬底上生长半导体纳米线时，衬底温度为270℃～340℃，生长速度为0.2nm/min～0.8nm/min。

通过上述参数的调控可进一步保证纳米线仅在凹槽中的衬底上生长，而在掩模区将不会附着纳米线。

本发明再一个方面，还提供一种包含上述超导-半导体纳米线异质结的器件。

所述器件包括但不限于，半导体激光器、量子级联激光器、隧穿共振晶体管、单电子晶体管、分子震荡器、量子陀螺仪、量子激光器、量子放大仪、量子磁强计、量子晶体管、量子储存器、干涉原件传感器、拓扑量子器件等。

在一些实施方式中，所述器件为拓扑量子器件。所述拓扑量子器件可以应用于拓扑量子计算机。

以下为具体实施例。旨在对本发明做进一步的详细说明，以帮助本领域技术及研究人员进一步理解本发明，有关技术条件等并不构成对本发明的任何限制。在本发明权利要求范围内所做的任何形式的修改，均在本发明权利要求的保护范围之内。实施例中采用药物和仪器如非特别说明，均为本领域常规选择。实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规条件，例如文献、书本中所述的条件或者生产厂家推荐的方法实现。

实施例1

图2为本实施例中制备超导-半导体纳米线异质结的工艺流程图。本实施例中衬底1为CdTe衬底，掩模层2为Al₂O₃薄膜，HSQ Fox-系列电子束光刻胶层3为HSQ Fox-16电子束光刻胶层，正性电子束光刻胶层4为PMMA光刻胶层，纳米线5为PbTe纳米线，异质材料层6为Pb超导材料。

具体步骤如下：

1)如图1中的(a)～(d)图所示，将CdTe衬底清洗后，利用磁控溅射方法在CdTe衬底上镀40nm的Al₂O₃薄膜。随后将HSQ Fox-16电子束光刻胶平铺于Al₂O₃薄膜上形成700nm厚的光刻胶层，在选定区域经电子束曝光显影后形成长为3μm、宽为200nm、高为700nm的光刻胶三维图形31；

2)如图1中的(e)～(h)图所示，在步骤1)中所形成结构的Al₂O₃薄膜面涂覆200nm厚的PMMA正性电子束光刻胶层，并经电子束曝光显影后形成长为3μm、宽为100nm的凹槽41，以露出Al₂O₃薄膜。凹槽41与光刻胶三维图形31错位平行，且相距200nm。然后将样品置于预热至50℃的Transene铝刻蚀液中5s～8s，除去凹槽41中的Al₂O₃薄膜，露出CdTe衬底。随后用丙酮洗去PMMA正性电子束光刻胶层；

3)如图1中的(i)～(k)图所示，利用分子束外延技术，控制CdTe衬底温度为330℃，利用PbTe分子源，在生长速率为0.4nm/min下，按照图(i)中所示的束流方向在凹槽41中生长PbTe半导体纳米线。随后通入液氮对衬底进行冷却，并将CdTe衬底倾斜60°以在Al₂O₃薄膜和部分PbTe半导体纳米线原位生长覆盖Pb超导材料，光刻胶三维图形31投影部分所遮挡的PbTe半导体纳米线上未覆盖Pb超导材料。

结构表征和性能测试

1、PbTe-CdTe、Pb-PbTe界面晶格匹配

将实施例1制备的Pb-PbTe纳米线异质结用剖面TEM(Cross-sectional TEM)透射电子显微镜来表征，如图3～图5所示。图3可以看到在CdTe上生长的Pb-PbTe纳米线异质结剖面图，图4为PbTe-CdTe界面处的放大图，图5为Pb-PbTe界面处的放大图。从图4和图5可以看出，PbTe-CdTe和Pb-PbTe的界面处的晶格完美匹配，界面处没有晶格缺陷。

2、PbTe纳米线的电子迁移率

结合本领域常规场效应管的制备方法，制备得到PbTe纳米线场效应管，结构如图6所示，测试其电导-栅压(G-Gate voltage)的曲线并进行拟合，由此计算迁移率，具体方法可参考文献：Gül,et al.，Towards high mobility InSb nanowiredevices.Nanotechnology 26,215202(2015)，结果如图7所示。该器件的电子迁移率达到1.41×10⁴cm²/Vs，比同样用分子束外延选区方法生长得到的InAs或InSb纳米线的迁移率提高了一个数量级，说明PbTe–CdTe的高晶体质量界面有助于提高电子迁移率。

3、Pb-PbTe纳米线(超导-半导体纳米线)超导能隙

通过近邻效应诱导出的超导能隙取决于超导材料本身的能隙大小和超导-半导体的界面性质。已报道的通过分子束外延原位覆盖超导材料Al的Al-InAs纳米线和Al-InSb纳米线体系中的超导能隙均为0.2meV左右，与Al自身的超导能隙相当。

Pb材料的超导能隙约为1meV，本发明中Pb通过分子束外延原位覆盖在PbTe纳米线上，可得到原子级平整的界面，由此可知，本发明的异质结，Pb可以在PbTe体系诱导出更大的能隙。大的超导能隙对拓扑量子器件有益。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，便于具体和详细地理解本发明的技术方案，但并不能因此而理解为对发明专利保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。应当理解，本领域技术人员在本发明提供的技术方案的基础上，通过合乎逻辑的分析、推理或者有限的试验得到的技术方案，均在本发明所附权利要求的保护范围内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求的内容为准，说明书以及附图可以用于解释权利要求的内容。