[发明专利]一种锗量子点的生长方法、锗量子点复合材料及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及半导体量子点的制备领域，尤其涉及一种锗量子点的生长方法、锗量子点复合材料及其应用。

背景技术

量子点（Quantum Dot）是准零维（Quasi-zero-dimensional）的纳米材料，由少量的原子所构成。粗略地说，量子点三个维度的尺寸都在100nm以下，外观恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应（Quantum Confinement Effect）特别显著。

量子点中的电子在三维方向的运动由于受到量子限域效应的作用，使量子点内部的电子态密度分布呈现为分离函数，且量子点的禁带宽度（E_g，材料导带的最低能级与价带的最高能级之间的能量差）相对于体材料（宏观块体材料，通常情况下尺度大于1mm）的0.66eV而言明显展宽，从而表现出一系列新颖的光电特性。这些特性可以通过控制量子点的尺寸、形状和密度等几何参数等进行调控，为人工调控材料的光电性质开辟出一条有效途径。

现有的理论和实验研究都指出半导体量子点在制备高效率的第三代太阳能电池、可调节光电探测器和量子点发光二极管等方面具有广阔的应用前景。当量子点的尺寸可以和材料的激子波尔半径相比较时，会出现明显的量子限域效应，这个尺寸一般在在10nm左右，因此如何采用有效的办法得到尺度和形貌均匀的量子点是实际应用中一个必须解决的问题。

在目前广泛报道的锗量子点生长技术中，主要采用气相法和相分离法这两种技术方法。

第一种方法主要是采用超高真空化学气相沉积法（UV-CVD）或分子束外延法（MBE），将含有锗原子的气源沉积到基底之上，沉积过程中锗原子在基底上以S-K模式实现自组装，最终得到锗量子点。该方法存在几项技术上的要求：

（1）对基底的清洁要求较高。一般需要对Si衬底进行预处理，用化学刻蚀的方法进行基底清洗。

所述清洗的典型流程如下：①将Si片依次用分析纯的甲苯、四氯化碳、丙酮、无水乙醇，各超声清洗3次，每次约3min；清洗间隔用去离子水冲洗3次，此步骤的目的是为除去Si表面的有机污染物；②将Si片放在沸腾的H₂SO₄和H₂O₂混合液中浸泡3min，然后用去离子水冲洗3次，此步骤的目的是除去Si表面残余的金属和有机物；③把Si片放在HF和C₂H₅OH的混合液中浸泡1min，用去离子水冲洗3次，此步骤的目的是用稀释的HF酸溶液化学刻蚀掉SiO₂层，并形成H钝化的表面；④清洗后的Si片用干燥的高纯N₂气吹干，传入真空室中，进行后续生长。

清洗流程非常复杂，如果将该清洗流程引入到产线上是比较繁琐的。

（2）在锗量子点的生长过程中，对基底温度、气源的流量、缓冲层的厚度和层数都有严格的控制和要求，这些因素直接决定了锗量子点的尺寸、形貌和密度分布等物理特性，也决定了量子点器件的最终光学特性。

目前该方法在得到均匀可控的量子点方面进行了深入的研究，但尚未完全解决所述的问题。同时，考虑到量子点器件量产的实际生长条件，也无法完全达到理想的控制要求，因此产业中采用气相沉积方法在生长高质量锗量子点方面存在成本过高和不易控制的不利因素。

第二种方法是采用相分离法生长锗量子点，其主要步骤是在基底上首先生长一定厚度的缓冲层，之后交替生长锗层和基质层，最后通过高温退火，利用锗相对于基质层材料结晶温度较低的特点，实现锗量子点的生长。此方法中一般采用控制锗层的厚度（小于10nm）来控制量子的尺寸，而多层交替生长（5～10层）的目的一方面可以提高量子点分布的均匀性，另一方面可以得到叠层量子点结构。此方法的最大优点是可以通过控制锗夹层的厚度来调控量子点的尺寸和制备叠层结构。

但该方法存在的明显缺点也有两方面：（1）锗量子中的基质杂质元素和缺陷含量高。这是由于在相分离过程中，基质元素会不可避免的进入锗量子点中，特别是当存在Si时，由于Si和Ge之间为可以无限度互融体，极易形成硅锗合金；同时这种相分离方法相对于气相沉积来说更容易在量子点内部形成缺陷，从而会严重影响量子点的光电性能。（2）锗量子点形貌和均匀性较差。在相分离过程中，锗量子点的结晶过程受到周围基质的限制，其形貌和均匀性与自组织生长的量子点在晶体质量方面存在一定差距。