量子点在半导体光电器件中研究

1、LOGO欢迎参加学士论文答辩LOGO指指导教师导教师：王河林：王河林 量子点在半导体光电器件中的量子点在半导体光电器件中的应用研究应用研究 n班班级级：应应物物1001n学学生：生：万郝霆玮万郝霆玮n学号学号：201010800112目录目录u1 研究的研究的背景背景与意义与意义u2 制备半导体量子点材料的技术制备半导体量子点材料的技术u3 量子点在光学器件中的应用量子点在光学器件中的应用u4 量子点在电学器件中的应用量子点在电学器件中的应用u5 量子点在其他领域的应用量子点在其他领域的应用u6 量子点未来的研究应用及发展构想量子点未来的研究应用及发展构想Company Logon 背景及意义

2、：量子点是指颗粒尺寸在1100 nm范围内的金属或半导体材料的微小颗粒。其性质稳定，当受到电或者光的刺激时就会发光。由于其特殊的介于体材料与分子间的尺寸，从而表现出各种特殊而奇妙的物理化学特性，利用这些特性可以实现一些普通材料和器件难以完成的目标。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。选题的背景及意义选题的背景及意义半导体量子点材料的制备半导体量子点材料的制备 应变自组装技术应变自组装技术u典型的典型的“自下而上自下而上”制备技术制备技术u利用利用Stranski-Krastanow

3、(S-K)Stranski-Krastanow(S-K)生长模式适合于晶格失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配较大，但表面、界面能不是很大的异质结材料体系v 优点优点u方法简单方法简单 无需复杂的工艺技术无需复杂的工艺技术u不会形成自由表面缺陷不会形成自由表面缺陷 不会引入杂质污染不会引入杂质污染u目前是制备量子点材料最常用、最有效的方法目前是制备量子点材料最常用、最有效的方法半导体量子点材料的制备半导体量子点材料的制备 微结构生长与微细加工相结合方法微结构生长与微细加工相结合方法u 1)微细加工处理以后再进行微结构生长技术微细加工处理以后再进行微结构生长技术

4、。u 2)微结构生长后再进行微细加工处理制备技微结构生长后再进行微细加工处理制备技术。术。半导体量子点材料的制备半导体量子点材料的制备 表面活性剂法表面活性剂法u衬底之间表面能与界面能与生长前沿外延层衬底之间表面能与界面能与生长前沿外延层之间的关系决定外延生长的模式之间的关系决定外延生长的模式uRsRf+RiuRsRf+Ri半导体量子点材料的制备半导体量子点材料的制备纳米结构的汽纳米结构的汽-液液-固相固相(VLS)生长模式生长模式u在特定的衬底表面上制备空间上排列有序的在特定的衬底表面上制备空间上排列有序的金属液滴金属液滴1.分子束炉喷射金属原子或通入气体分子于衬分子束炉喷射金属原子或通入气

5、体分子于衬底表面底表面半导体量子点材料的制备半导体量子点材料的制备离子注入法离子注入法u通过离子束与衬底材料中的原子或分子发通过离子束与衬底材料中的原子或分子发生一系列物理和化学互作，使入射离子能生一系列物理和化学互作，使入射离子能量逐渐降低，最后保留在材料中量逐渐降低，最后保留在材料中u将离子注入到晶体中会使晶体非晶化，再将离子注入到晶体中会使晶体非晶化，再经退火非晶可部分重结晶经退火非晶可部分重结晶量子点在光电器件中的应用量子点在光电器件中的应用活细胞荧光标记及组织光学成像活细胞荧光标记及组织光学成像u 量子点颜色的多样性及可调性，使其可实现多色标记同一细胞量子点颜色的多样性及可调性，使其

6、可实现多色标记同一细胞量子点在光电器件中的应用量子点在光电器件中的应用肿瘤细胞示踪及诊断影像肿瘤细胞示踪及诊断影像（a）光动力疗法中的光动力行程）光动力疗法中的光动力行程 (b)诱导量子点光动力学过程的可能机制诱导量子点光动力学过程的可能机制量子点在光电器件中的应用量子点在光电器件中的应用动物活体成像动物活体成像u动物活体中量子点结合荧光成像系统可对肿瘤进行定位动物活体中量子点结合荧光成像系统可对肿瘤进行定位, ,实时监测实时监测肿瘤细胞的生长和转移肿瘤细胞的生长和转移量子点在光电器件中的应用量子点在光电器件中的应用 激素及生物因子研究成像激素及生物因子研究成像量子点在光电器件中的应用量子点在

7、光电器件中的应用量子点激光器量子点激光器 CdS单纳米线电驱动激光器的结构和发光特性单纳米线电驱动激光器的结构和发光特性量子点在光电器件中的应用量子点在光电器件中的应用uInAs/GaAs InAs/GaAs 体系的分子束外延生长规律和体系的分子束外延生长规律和技术也都相对比较成熟技术也都相对比较成熟 , , 易于实现高性能量易于实现高性能量子点激光器的制作子点激光器的制作改进目标改进目标u室温下室温下u高增益高增益u高速度高速度u高功率高功率u低阈值电流密度低阈值电流密度u连续激射连续激射量子点在光电器件中的应用量子点在光电器件中的应用纵向输运器件纵向输运器件u根据电子在与量子点生长方向平行

8、的输运特根据电子在与量子点生长方向平行的输运特性制成性制成目前量子阱共振隧穿二极管（目前量子阱共振隧穿二极管（RTD）已可以与）已可以与CMOS器件混合集成，而量子点器件混合集成，而量子点RTD的研究目前处于的研究目前处于基础研究阶段基础研究阶段常见的量子点常见的量子点RTD：双势垒结构：双势垒结构势垒之间为量势垒之间为量子点有源区，发射极和集电极分布于势垒两侧子点有源区，发射极和集电极分布于势垒两侧加特定偏压时，能带发生倾斜。发射极电子费米能加特定偏压时，能带发生倾斜。发射极电子费米能级达到或高于量子点电子基态能级，电子有较大概率级达到或高于量子点电子基态能级，电子有较大概率共振隧穿通过双势

9、垒结构共振隧穿通过双势垒结构持续加大偏压，量子点电子基态能级低于发射极导持续加大偏压，量子点电子基态能级低于发射极导带底，共振隧穿停止，负微分电阻现象出现。随偏压带底，共振隧穿停止，负微分电阻现象出现。随偏压的升高，电子还与量子点电子激发态能级共振，电流的升高，电子还与量子点电子激发态能级共振，电流-电压曲线呈现振荡或台阶特性电压曲线呈现振荡或台阶特性量子点在光电器件中的应用量子点在光电器件中的应用横向输运器件横向输运器件u单电子晶体管：由于库仑阻塞效应，电子只能逐个通过器单电子晶体管：由于库仑阻塞效应，电子只能逐个通过器件，呈现单电子（或准单电子）输运行为件，呈现单电子（或准单电子）输运行为

10、运用注入量子点中的载流子对量子阱沟道中二维电子气（运用注入量子点中的载流子对量子阱沟道中二维电子气（2DEG）输运的）输运的调制作用可以获得预期的电流调制作用可以获得预期的电流- 电压特性（振荡、台阶等）电压特性（振荡、台阶等）量子点在光电器件中的应用量子点在光电器件中的应用 InAs/GaAs 量子点红外光探测器量子点红外光探测器 u包括两种基本的器件结构形式包括两种基本的器件结构形式垂直输运结构：载流子在顶部接触层和底部接触层之间的垂直输运垂直输运结构：载流子在顶部接触层和底部接触层之间的垂直输运收集光电流收集光电流横向输运结构：载流子在两个顶部的欧姆接触之间高迁移率通道中横向输运结构：载

11、流子在两个顶部的欧姆接触之间高迁移率通道中的输运收集光电流的输运收集光电流调制掺杂的量子点红外探测器能带图调制掺杂的量子点红外探测器能带图量子点在光电器件中的应用量子点在光电器件中的应用Ge/Si 量子点红外光探测器量子点红外光探测器u镶嵌在镶嵌在p-i-n 结构中自组织结构中自组织 Ge/Si 量子岛作为有源区量子岛作为有源区u扩大扩大 Si 基光探测器的波长适用范围基光探测器的波长适用范围 , 提高光探测效率和降低暗电提高光探测效率和降低暗电流密度流密度u由于由于 Ge 量子点处禁带宽度明显变窄量子点处禁带宽度明显变窄 ,为长波长的光吸收探测提供为长波长的光吸收探测提供了可能了可能Ge量子

12、点光探测器有源区能带结构图量子点光探测器有源区能带结构图量子点的其他应用量子点的其他应用 金属离子的含量测定金属离子的含量测定需要具有足够高的灵敏度需要具有足够高的灵敏度u利用金属离子与量子点作用引起荧光猝灭或荧光加强的变化利用金属离子与量子点作用引起荧光猝灭或荧光加强的变化 对铁诱导的羟基生成和量子点为基础的传感器对亚铁离子检测对铁诱导的羟基生成和量子点为基础的传感器对亚铁离子检测 （A）和荧光通过从量子点到羟基自由基（）和荧光通过从量子点到羟基自由基（B）的电子转移猝灭机理）的电子转移猝灭机理量子点的其他应用量子点的其他应用药物的含量测定药物的含量测定能对量子点产生猝灭或光致增强的药物都可

13、以用量子点进行测定能对量子点产生猝灭或光致增强的药物都可以用量子点进行测定（a）CdSe量子点的量子点的TEM 图像图像 (b)加入安体舒通后的加入安体舒通后的CdSe量子点图像量子点图像量子点的其他应用量子点的其他应用烃类化合物的测定烃类化合物的测定烃类化合物的测定烃类化合物的测定烃类化合物的测定烃类化合物的测定通常采用气相色谱法进行通常采用气相色谱法进行基于量子点的烃类化合物检测装置基于量子点的烃类化合物检测装置u猝灭过程与被测气体浓度及类型有关。猝灭过程与被测气体浓度及类型有关。u经过修饰的复合膜对甲苯的灵敏度远低于二甲苯，从而建立了一种用量经过修饰的复合膜对甲苯的灵敏度远低于二甲苯，从

14、而建立了一种用量子点测定烃类化合物的高灵敏度、高选择性的独特方法。子点测定烃类化合物的高灵敏度、高选择性的独特方法。量子点的其他应用量子点的其他应用光量子保密通信光端机光量子保密通信光端机u 量子保密通信需要高质量的量子密码收、发光端机量子保密通信需要高质量的量子密码收、发光端机量子点的其他应用量子点的其他应用单光子探测器单光子探测器信息密码、量子计算和量子保密通信研究中所面临的一个重信息密码、量子计算和量子保密通信研究中所面临的一个重问题即是单光子的产生与发射技术问题即是单光子的产生与发射技术u 量子单元发出一个光子并跃迁回到基态到再发射第二个光子之间需要经量子单元发出一个光子并跃迁回到基态

15、到再发射第二个光子之间需要经过一定时间过一定时间u 量子点单光子源具有比其他单光子源的振子强度更大且和谱线宽度窄量子点单光子源具有比其他单光子源的振子强度更大且和谱线宽度窄u 发光波长可以覆盖从可见到红外的光波范围发光波长可以覆盖从可见到红外的光波范围量子点的其他应用量子点的其他应用无源抑制单光子探测装置图无源抑制单光子探测装置图应用前景应用前景生命科学生命科学u 很多现代发光材料和器件都由半导体量子结构所构成，由于尺寸上的接近很多现代发光材料和器件都由半导体量子结构所构成，由于尺寸上的接近，材料形成的量子点同常用的染料分子可以发挥类似荧光材料的神奇效能，材料形成的量子点同常用的染料分子可以发

16、挥类似荧光材料的神奇效能。量子点由于量子力学的奇妙规则而具有显著的尺寸效应，因而从生物体。量子点由于量子力学的奇妙规则而具有显著的尺寸效应，因而从生物体系的发光标记物的差别上讲，一个有机染料分子吸收合适能量的光子后从系的发光标记物的差别上讲，一个有机染料分子吸收合适能量的光子后从基态升到较高的激发态，需要特定波长的光进行测量，而所有高于某一带基态升到较高的激发态，需要特定波长的光进行测量，而所有高于某一带隙能量的光子都能被特定量子点吸收，但所发射的光波长又是可查的。所隙能量的光子都能被特定量子点吸收，但所发射的光波长又是可查的。所以，特定的量子点就能够按尺寸变化产生一个发光波长不同的、颜色分明

17、以，特定的量子点就能够按尺寸变化产生一个发光波长不同的、颜色分明的标记物家族。的标记物家族。u 与传统的染料分子相比，量子点能够承受多次的激发和光发射，并有持久与传统的染料分子相比，量子点能够承受多次的激发和光发射，并有持久的稳定性，从而能够稳定的接受观察甚至进行界面修饰连接。具有丰富颜的稳定性，从而能够稳定的接受观察甚至进行界面修饰连接。具有丰富颜色的量子点是的通过控制观测工具的大小精确定位生物大分子肌细胞成为色的量子点是的通过控制观测工具的大小精确定位生物大分子肌细胞成为可能。可能。应用前景应用前景半导体器件半导体器件u 当今研究的热点普遍集中于半导体量子点的生长和性质，自组织当今研究的热点普遍集中于半导体量子点的生长和性质，自组织生长方式是目前制备量子点最常用的方法。生长方式是目前制备量子点最常用的方法。u 半导体单电子器件由于具有小尺寸，低消耗而日益受到人们的关半导体单电子器件由于具有小尺寸，低消耗而日益受到人们的关注。注。 “半导体量子点材料及量子点激光器半导体量子点材料及量子点激光器”是世界最尖端的科研是世界最尖端的科研课题。纳米电子学、光电子学和新一代超大规模集成电路等方面课题。纳米电子学、光电子学和新一代超大规模集成电路等方面的应用有着广泛的需求和市场，技术也渐趋成熟，在需求和生产的应用有着广泛的需求和市场，技术