[發明專利]一種鍺量子點的生長方法、鍺量子點復合材料及其應用

有效

• 申請號: 201310351839.5
• 申請日: 2013-08-13
• 公開（公告）號: CN104377114B
• 公開（公告）日: 2017-04-05
• 發明（設計）人: 李振軍;白冰;楊曉霞;王小偉;許應瑛;戴慶;裘曉輝
• 申請（專利權）人: 國家納米科學中心
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;H01L29/15
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司11332
• 代理人: 鞏克棟

技術領域

本發明涉及半導體量子點的制備領域，尤其涉及一種鍺量子點的生長方法、鍺量子點復合材料及其應用。

背景技術

量子點（Quantum?Dot）是準零維（Quasi-zero-dimensional）的納米材料，由少量的原子所構成。粗略地說，量子點三個維度的尺寸都在100nm以下，外觀恰似一極小的點狀物，其內部電子在各方向上的運動都受到局限，所以量子局限效應（Quantum?Confinement?Effect）特別顯著。

量子點中的電子在三維方向的運動由于受到量子限域效應的作用，使量子點內部的電子態密度分布呈現為分離函數，且量子點的禁帶寬度（E_g，材料導帶的最低能級與價帶的最高能級之間的能量差）相對于體材料（宏觀塊體材料，通常情況下尺度大于1mm）的0.66eV而言明顯展寬，從而表現出一系列新穎的光電特性。這些特性可以通過控制量子點的尺寸、形狀和密度等幾何參數等進行調控，為人工調控材料的光電性質開辟出一條有效途徑。

現有的理論和實驗研究都指出半導體量子點在制備高效率的第三代太陽能電池、可調節光電探測器和量子點發光二極管等方面具有廣闊的應用前景。當量子點的尺寸可以和材料的激子波爾半徑相比較時，會出現明顯的量子限域效應，這個尺寸一般在在10nm左右，因此如何采用有效的辦法得到尺度和形貌均勻的量子點是實際應用中一個必須解決的問題。

在目前廣泛報道的鍺量子點生長技術中，主要采用氣相法和相分離法這兩種技術方法。

第一種方法主要是采用超高真空化學氣相沉積法（UV-CVD）或分子束外延法（MBE），將含有鍺原子的氣源沉積到基底之上，沉積過程中鍺原子在基底上以S-K模式實現自組裝，最終得到鍺量子點。該方法存在幾項技術上的要求：

（1）對基底的清潔要求較高。一般需要對Si襯底進行預處理，用化學刻蝕的方法進行基底清洗。

所述清洗的典型流程如下：①將Si片依次用分析純的甲苯、四氯化碳、丙酮、無水乙醇，各超聲清洗3次，每次約3min；清洗間隔用去離子水沖洗3次，此步驟的目的是為除去Si表面的有機污染物；②將Si片放在沸騰的H₂SO₄和H₂O₂混合液中浸泡3min，然后用去離子水沖洗3次，此步驟的目的是除去Si表面殘余的金屬和有機物；③把Si片放在HF和C₂H₅OH的混合液中浸泡1min，用去離子水沖洗3次，此步驟的目的是用稀釋的HF酸溶液化學刻蝕掉SiO₂層，并形成H鈍化的表面；④清洗后的Si片用干燥的高純N₂氣吹干，傳入真空室中，進行后續生長。

清洗流程非常復雜，如果將該清洗流程引入到產線上是比較繁瑣的。

（2）在鍺量子點的生長過程中，對基底溫度、氣源的流量、緩沖層的厚度和層數都有嚴格的控制和要求，這些因素直接決定了鍺量子點的尺寸、形貌和密度分布等物理特性，也決定了量子點器件的最終光學特性。

目前該方法在得到均勻可控的量子點方面進行了深入的研究，但尚未完全解決所述的問題。同時，考慮到量子點器件量產的實際生長條件，也無法完全達到理想的控制要求，因此產業中采用氣相沉積方法在生長高質量鍺量子點方面存在成本過高和不易控制的不利因素。

第二種方法是采用相分離法生長鍺量子點，其主要步驟是在基底上首先生長一定厚度的緩沖層，之后交替生長鍺層和基質層，最后通過高溫退火，利用鍺相對于基質層材料結晶溫度較低的特點，實現鍺量子點的生長。此方法中一般采用控制鍺層的厚度（小于10nm）來控制量子的尺寸，而多層交替生長（5～10層）的目的一方面可以提高量子點分布的均勻性，另一方面可以得到疊層量子點結構。此方法的最大優點是可以通過控制鍺夾層的厚度來調控量子點的尺寸和制備疊層結構。

但該方法存在的明顯缺點也有兩方面：（1）鍺量子中的基質雜質元素和缺陷含量高。這是由于在相分離過程中，基質元素會不可避免的進入鍺量子點中，特別是當存在Si時，由于Si和Ge之間為可以無限度互融體，極易形成硅鍺合金；同時這種相分離方法相對于氣相沉積來說更容易在量子點內部形成缺陷，從而會嚴重影響量子點的光電性能。（2）鍺量子點形貌和均勻性較差。在相分離過程中，鍺量子點的結晶過程受到周圍基質的限制，其形貌和均勻性與自組織生長的量子點在晶體質量方面存在一定差距。