半导体量子点材料的制备技术
可以看出用这种方法制 备量子点尺寸均匀、具 有严格的对称性。但是 用这种方法制备的量子 点受光刻水平的限制， 不可能刻蚀出更小的量 子点。于是人们利用高 分辨率聚焦电子、离子 束、X射线代替光束对材 料进行刻蚀，从而制备 出线宽更小的量子线和 量子点。利用这种方法 原则上可以制备最小特 征宽度为10nm左右的结 构。表1给出了这一技术
半导体量子点的主要性质
假设某时刻电子通过样品时只有两条路径,那麽由两个波函 数叠加得到的几率分布为：
当样品的尺寸远大于状态相干长度时,电子会遭受非弹性 散射,上式最后一项的平均值为零;如果样品尺寸与相位相干长 度同一量级,交叉项就会有一比值,由于通过不同路径时遇到杂 质的情况不同,所以此值随机变化. 如果在样品的两端放置两 个探头,理论上来说就能够测量到干涉结果,这就是量子干涉现 象. 所以在相位相干长度内,载流子所输运的电流不仅与其速
国内外所达到的水平”。 用光刻技术在Si衬底上制备GaAs量子点的示意图
半导体量子点材料的制备技术
国内外量子点细微加工水平
方法
国外
国内
X-ray光刻技术 最小线度80nm， 0.8～1.0μm 接触曝光 10nm
电子束光刻技 术
束斑直径 实现70nm图形，
Φ<1nm，采
一般为
用PMMA胶已 100～200nm
半导体量子点的主要性质
(a)半导体材料受限维 度变化的示意图;
(b)半导体材料受限维 度对电子态密度影 响的示意图。
（1）体相半导体； （2）量子阱；（3） 量子线；（4）量 子点。
半导体量子点的主要性质
对于纳米半导体颗粒（量子点），由于 三维限域作用，其载流子（电子、空穴）在 一个类似于准零维的量子球壳中运动，相应 的电子结构也从体相连续能带变成分裂的能 级。下图 是半导体材料从体相到量子点电子 结构变化示意图。三维限域作用导致电子和 空穴的动能增加, 使原来的能隙增大，从而使 光学吸收边蓝移。
应变自组装量子点的生长原理(SK转变过程):
量子点的应变自组装生长通常被认为是异质外延的SK生长模式。当InAs 外延层的厚度达到某一临界值tcw时，3DInAs岛就会在浸润层上形成， 这一过程称为SK转变。传统的SK生长模式认为3D岛的形成是由位错引起 的：层状生长的外延薄膜产生位错后，继续沉积的外延材料在位错处形 成3D岛。实验上却发现在半导体材料的异质外延时，例如GaAs(001)衬 底上生长InAs，以及在Si(001)衬底上生长Ge时，都可以获得五位错的 3D岛，说明还存在一种共格的SK生长模式：由晶格失配引起的弹性形变 可以通过外延层材料重组(rearrangement)的方式得到有效释放。
实现12 nm
聚焦离子束 束斑可达10nm, 设备研制阶段 可实现12nm
光刻技术
一般100nm 设备研制阶段Βιβλιοθήκη 半导体量子点材料的制备技术
量子点的可控生长技 术
在图形化衬底（模板） 上生长量子点。在具有掩膜 图形或非平面的单晶衬底上， 采用MBE，MEE，MOCVD， CBE以及ALE等生长及参杂精 度的外延技术，在衬底表面 预定位置，按确定的晶向生 长各种几何形状的量子点。
量子点简介
量子阱 量子线 量子点
半导体量子点的主要性质
半导体量子点结构对其中的载流子(如电子、空 穴和激子) 有强三维量子限制作用,使其表现出一系 列新颖的物理特性,例如具有量子尺寸效应、量子隧 穿效应、量子干涉效应和库仑阻塞效应等，在纳米 电子与光电子器件研制方面有极重要的前景。控制 量子点的几何形状和尺寸可改变其电子态结构,实现 量子点器件的电学和光学性质的“剪裁”,是目前 “能带工程”设计的一个重要组成部分,也是国际研 究的前沿热点领域。
半导体量子点材料的制备技术
高质量量子点材料的制备是量子器件和电路应用的 基础,如何实现对无缺陷量子点的形状、尺寸、面密度、 体密度和空间分布有序性等的可控生长,一直是材料科学 家追求的目标和关注的热点。 经过多年的努力,现已发展 了多种制备半导体量子点的技术, 归纳起来,不外乎所谓的 “自上而下”和“自下而上”以及这两种方法相结合的制 备技术。 下面给予简单的介绍。
半导体量子点的主要性质
量子点的电子态
量子点的电子态是研制新型量子点器件和电路 的物理基础,所以对量子点电子态的了解有着重要的 意义. 通过将势阱作无限深平底势阱的理想化假设,可 以计算得到箱形量子点、球形量子点以及柱形量子点 的本征能量、波函数以及有效态密度。结果表明,量 子点结构的电子能量在三个维度上都是量子化的,量 子化能级间距与该方向的特征长度的平方成反比,随 着该方向的尺寸减小,该方向量子化能级间距增大,量 子化效应更加明显。
量子点简介
一般块材中，电子的波长远小于块材尺寸， 量子局限效应不显著。若将某一维度的尺寸缩到 小于一个波长，此时电子只能在另两个维度所构 成的二维空间中自由运动，这样的系统被称为量 子井；若再将另一维度的尺寸缩到小于一个波长， 电子只能在一维方向上运动，既是量子线；当三 个维度的尺寸都缩小到一个波长以下时，就成为 量子点了。
临界值tcw 时,弹性形变二维层状生长不再是最低能量状态,应变能
通过在浸润层上形成三维岛而得到释放。
半导体量子点材料的制备技术
应变自组装技术不仅无需诸如高空间分辨的电子束曝光和刻蚀等复 杂的工艺技术,方法简单,而且还不会引入杂质污染和形成自由表面缺陷, 是目前制备量子点材料最常用、最有效的方法;但由于量子点在浸润层 上的成核是无序的,故其尺度、形状、分布均匀性难以控制,量子点的定 位生长就更加困难。
率有关,还与其相位有关,故其I - V 特性不再遵从欧姆定律.
基于量子干涉效应可以制备多种新型量子器件。
半导体量子点的主要性质
由于一个具有两种状态的系统可以看作是一个“二进 制”的量子比特,而量子点的能级具有基态和激发态,量子 点系统又具有量子叠加性、相干性、纠缠性等,所以量子点 的能级可以制成量子计算的基本单元———量子比特。
半导体量子点材料的制备技术
从二维层状结构出发，利用各种微加工方法 来获得量子点 。
这种方法首先用MBE或MOCVD等技术设备制备出 超晶格或量子阱，然后用全息相加湿法腐蚀法、电子束 曝光配反应离子干法刻蚀法、离子束成像扫描和聚焦激 发束将超晶格或量子阱加工成量子点。下图给出了用光 刻技术在Si衬底上制备GaAs量子点的示意图。
材料在二维平面上生长的三种模式
层状结构（Frank-van de Merwe)
晶格常数差异较小
先层状后岛状（Stranski-Krastanov）
晶格常数差异适中
岛状结构（Volmer-Weber）
晶格常数差异较大
基材对表面的束缚力（表面应变能）与表面同种分子间的聚合力 （表面自由能）的竞争
量子点的自组织生长(S-K模式）的三 个阶段
1.生长初期: 形成二维薄膜, 由于表面能 达到最小, 而 形成平坦的表 面。
量子点的自组织生长(S-K模式） 的三个阶段
2.膜的厚度增加: 仍然形成平坦表 面。
量子点的自组织生长(S-K模式） 的三个阶段
3.形成岛状结构: 保留 少量表面平坦层, 形成 一部分三维结构。由 于岛的形成, 大大释放 了由应变所产生的弹 性能, 所以这些量子点 中的位错缺陷很少,结 构完整。
库仑阻塞效应：
如果一个量子点与其所有相关电极的电容之和足够小 (如小于10 – 18 F),这时只要有一个电子进入量子点,引起
系统增加的静电能就会远大于电子热运动能量kBT ,这个静
电能将阻止随后的第二个电子进入同一个量子点, 这种现 象叫做库仑阻塞(Coulomb blockade) 效应。 在实验上,可 以利用电容耦合通过外加栅压来控制双隧道结连接的量子 点体系的单个电子的进出。
半导体量子点材料的制备技术
模板制备纳米点阵列： 采用较薄（几百纳米）的多孔氧化铝模板作
为掩模，使金属或半导体材料的颗粒通过模板的孔道沉积到基底表面， 可以制备出高度有序的纳米点阵列。沉积方式有分子束外延（MBE）、磁 控溅射、化学气相沉积（CVD）、有机金属汽相外延（OMVPE）、电子束 蒸发和热蒸发等。
多晶硅的特点
成本较低 转换效率与单晶硅太阳能电池比较接近
多晶硅薄膜电池的制备方法
化学气相沉积法（CVD），包括低压化 学气相沉积（LPCVD）法和等离子增强 化学气相沉积（PECVD）法
液相外延法（LPE） 溅射沉积法
化学气相沉积法
采用二氯二氢硅、三氯氢硅、四氯化硅或者四氢硅作 为反应气体，在一定的保护气氛下反应生成硅原子并 沉积在加热的衬底上。衬底材料一般采用Si、SiO2、 Si3N4等。为了形成大的晶粒，并解决容易在晶粒间形 成空隙的问题，采用的方法是：先用LPCVD法在衬底 上沉积一层较薄的非晶硅层，并对这层非晶硅层进行 退火，可得到较大晶粒，然后在这层籽晶上沉积厚的 多晶硅薄膜。这个工艺中，再结晶技术是非常重要的 一项技术，目前主要采用固相结晶法和区熔再结晶法。 采用再结晶技术与制备单晶硅太阳能电池的技术相结 合，这样可使太阳能电池的转换效率得到显著提高， 其转换效率为12.6%~17.3%
液相外延法
液相外延法（LPE）是通过把硅熔融在母 熔体里，降低温度，析出硅膜。
非晶硅的优点
原材料消耗小； 可使用廉价衬底和柔性衬底； 容易实现大规模和自动化生产； “能量偿还”时间短、功率/质量比大； 制造过程安全； 不污染环境。 总的来说，它具有较高的转换效率和较低成本以
及质量轻的特点
Stranski - Krastanow(S - K) 生长模式,适合于晶格失配较大但 表面、界面能不是很大的异质结材料体系；实验上可采用分子束外 延(MBE) 、金属有机物化学气相沉积(MOCVD) 和原子层外延
(ALE) 等技术制备。 在S - K生长模式中,外延层和衬底间的晶格 失配较大,但是在外延的初始阶段,外延材料可以通过弹性形变适应 晶格失配,以二维层状模式生长,称之为浸润层(wetting layer)。 随着浸润层厚度的增加,应变能不断积累,当浸润层厚度达到某一个