李世國 王新中 范金坪 夏林中 張春曉 杜 軍

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 深圳 518029）

半導(dǎo)體量子點(diǎn)及其應(yīng)用概述

李世國 王新中 范金坪 夏林中 張春曉 杜 軍

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 深圳 518029）

半導(dǎo)體量子點(diǎn)是由少量原子組成的準(zhǔn)零維的納米量子結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出較其它維度的結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料更優(yōu)越的性能，被廣泛應(yīng)用于量子計(jì)算、量子生物醫(yī)學(xué)、量子光伏器件、量子發(fā)光器件和量子探測器中，是現(xiàn)在前沿科學(xué)研究的熱門課題之一。

量子點(diǎn)；納米結(jié)構(gòu)；量子效應(yīng)；量子點(diǎn)應(yīng)用

0 引言

近年來半導(dǎo)體材料科學(xué)主要朝兩個方向發(fā)展：一方面是不斷探索擴(kuò)展新的半導(dǎo)體材料，即所謂材料工程；另一方面是逐步從高維到低維深入研究己知半導(dǎo)體材料體系，這就是能帶工程。半導(dǎo)體量子點(diǎn)就是通過改變其尺寸實(shí)現(xiàn)能級的改變，達(dá)到應(yīng)用的目的，這就是半導(dǎo)體量子點(diǎn)能帶工程。半導(dǎo)體量子點(diǎn)是由少量原子組成的準(zhǔn)零維納米量子結(jié)構(gòu)，原子數(shù)目通常在幾個到幾百個之間，三個維度的尺寸都小于100納米。載流子在量子點(diǎn)的三個維度上運(yùn)動受尺寸效應(yīng)限制，量子效應(yīng)非常顯著。在量子點(diǎn)中，由于量子限制效應(yīng)作用，其載流子的能級類似原子有不連續(xù)的能級結(jié)構(gòu)，所以量子點(diǎn)又叫人造原子。由于特殊能級結(jié)構(gòu)，使得量子點(diǎn)表現(xiàn)出獨(dú)特的物理性質(zhì)，如量子尺寸效應(yīng)、量子遂穿效應(yīng)、庫侖阻塞效應(yīng)、表面量子效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)、多體相關(guān)和非線性光學(xué)效應(yīng)等，它對于基礎(chǔ)物理研究和新型電子和光電器件都有很重要的意義，量子點(diǎn)材料生長和器件應(yīng)用研究一直是科學(xué)界的熱點(diǎn)之一[1]。

1 量子點(diǎn)制備方法

目前對量子點(diǎn)的制備有很多方法，主要有外延技術(shù)生長法、溶膠-凝膠法（Sol-gel）和化學(xué)腐蝕法等，下面簡單介紹這幾種制備方法：

1.1 外延技術(shù)法

外延技術(shù)法制備半導(dǎo)體量子點(diǎn)，主要是利用當(dāng)前先進(jìn)的分子束外延（MBE）、金屬有機(jī)物分子束外延（MOCVD）和化學(xué)束外延（CBE）等技術(shù)通過自組裝生長機(jī)理，在特定的生長條件下，在晶格失配的半導(dǎo)體襯底上通過異質(zhì)外延來實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體量子點(diǎn)的生長，在異質(zhì)外延外延中，當(dāng)外延材料的生長達(dá)到一定厚度后，為了釋放外延材料晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力能，外延材料就會形成半導(dǎo)體量子點(diǎn)，其大小跟材料的晶格失配度、外延過程中的條件控制有很大的關(guān)系，外延技術(shù)這是目前獲得高質(zhì)量半導(dǎo)體量子點(diǎn)比較普遍的方法，缺點(diǎn)是對半導(dǎo)體量子點(diǎn)的生長都是在高真空或超高真空下進(jìn)行，使得材料生長成本非常高。

1.2 膠體法

膠體法是指金屬的有機(jī)或無機(jī)物經(jīng)過溶液、溶膠而固化形成量子點(diǎn)，在離心力作用下可以涂覆在襯底表面，經(jīng)過退火處理而成為所需納米團(tuán)簇的方法。這種方法是要把膠體帶有納米孔狀的模板中，經(jīng)過高溫退火處理后，模板會自動去除，而膠體顆粒也會在高溫下形成晶體，顆粒的大小與模板孔尺寸、膠體濃度和退火溫度等因素有關(guān)。這種制備量子點(diǎn)方法的優(yōu)點(diǎn)是，方法簡單，不需要復(fù)雜的儀器設(shè)備，成本較低，可以大面積制備納米顆粒，缺點(diǎn)是不易形成高質(zhì)量晶體顆粒和極易受到空氣中的灰塵污染。

1.3 化學(xué)腐蝕法

腐蝕法是利用化學(xué)液體對不同的半導(dǎo)體材料的腐蝕速率差異和晶體材料的各向異性，通過腐蝕光刻技術(shù)在晶體襯底留下的圖形，從而達(dá)到納米量級的量子點(diǎn)。該方法是通過腐蝕晶體襯底直接獲得量子點(diǎn)材料，量子點(diǎn)表現(xiàn)出純度高、性能優(yōu)越，但是由于腐蝕的各向異性，量子點(diǎn)材料的尺寸非常不均勻[2]。

2 量子點(diǎn)的應(yīng)用

量子點(diǎn)在我們的日常生活中有著非常重要的作用，主要應(yīng)用在量子光電器件、量子計(jì)算和量子生物醫(yī)學(xué)等方面，下面我們將逐一進(jìn)行簡單的介紹：

2.1 量子計(jì)算

在量子點(diǎn)中，通過加上很小的電壓，利用庫侖阻塞效應(yīng)，可以很精確的控制電子流的數(shù)量，同時控制電子自旋的狀態(tài)向上或者向下，進(jìn)而控制數(shù)據(jù)的存貯或者計(jì)算，通過技術(shù)的不斷發(fā)展，在不久的將來可以利用量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算或者實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)。

2.2 光電器件

在量子點(diǎn)光電器件中，提供光增益的有源區(qū)介質(zhì)是量子點(diǎn)，量子點(diǎn)由于特殊的尺寸限制表現(xiàn)出來的量子效應(yīng)，使得他的態(tài)密度函數(shù)類似單個原子，是一個δ函數(shù)，使得量子點(diǎn)表現(xiàn)許多由于光學(xué)和電學(xué)特性。如以量子點(diǎn)為有源介質(zhì)的量子點(diǎn)激光器，在理論上計(jì)算發(fā)現(xiàn)，比量子阱、量子線和塊體材料的激光器有更低的閾值電流密度、更高的量子線率、寬的增益、更高的微分增益和好的溫度穩(wěn)定特性。而且，量子點(diǎn)的禁帶寬度除了跟材料本身的性質(zhì)有關(guān)外，還跟量子點(diǎn)的大小有很大的關(guān)系。在固定的材料體系統(tǒng)，光電器件的發(fā)光波長還可以通過控制量子點(diǎn)的尺寸來控制。量子點(diǎn)尺寸越大，量子尺寸限制效應(yīng)減弱，禁帶寬度縮小，器件的發(fā)射波長紅移。如在磷化銦襯底上生長的砷化銦量子點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)砷化銦量子點(diǎn)的尺寸大小，可實(shí)現(xiàn)發(fā)光器件的波長在1.4微米到2微米之間調(diào)節(jié)，這樣我們就可以根據(jù)實(shí)際需求選擇量子點(diǎn)尺寸，從而達(dá)到需要的波長。雖然量子點(diǎn)光電器件有這么多優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際實(shí)際的應(yīng)用中，受到量子點(diǎn)均勻性的影響，器件的很多性能遠(yuǎn)沒有達(dá)到理論預(yù)計(jì)的值，與商用化的量子阱光電器件相比任然有很大的差距，然而通過制備技術(shù)和方法的不斷改進(jìn)，量子點(diǎn)在廣電領(lǐng)域的前景是光明的[3]。

2.3 量子生物醫(yī)學(xué)

在生命科學(xué)領(lǐng)域，熒光圖像技術(shù)是一種重要的手段，然而傳統(tǒng)的有機(jī)染料非常容易淬滅，在實(shí)際應(yīng)用中非常不方便，無法對標(biāo)記物進(jìn)行長期的跟蹤和觀察。而量子點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)光波長可調(diào)，發(fā)光強(qiáng)度高和化學(xué)穩(wěn)定性好，非常適合用在用于標(biāo)記生物體的長期跟蹤。在生物體中，可見光對生物的穿透能力較差，無法完成很多的病理檢測，而半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)射的紅外光則可穿透厘米級厚度的組織，因此可將某些在紅外區(qū)發(fā)光的量子點(diǎn)標(biāo)記到組織或細(xì)胞內(nèi)的特異組分上，并用紅外光激發(fā)，就可以通過成像檢測的方法來研究組織內(nèi)部的情況，達(dá)到診斷的目的[4]。

另外，量子點(diǎn)也可用于生物芯片研究。在生物芯片中，研究多個蛋白質(zhì)就只能多次重復(fù)相同操作標(biāo)記，非常不方便。而量子點(diǎn)的發(fā)光波長可以通過尺寸的改變來實(shí)現(xiàn)，這樣我們就可用一系列不同大小、不同材料、光譜特性各自不同的量子點(diǎn)或量子點(diǎn)微粒標(biāo)記各種蛋白質(zhì)，更重要的是可以用同一波長的光激發(fā)，從而可以同時檢測所有標(biāo)記的蛋白質(zhì)與芯片上的蛋白質(zhì)之間的相互作用[5]。

2.4 光伏電池

光伏電池中最重要的一個參數(shù)是光電轉(zhuǎn)換效率，研究發(fā)現(xiàn)利用半導(dǎo)體硒化鉛量子點(diǎn)作為有源材料，當(dāng)吸收一個高能量可見光的光子，將產(chǎn)生7個左右的激子 （相當(dāng)于硒化鉛量子點(diǎn)禁帶寬度能量的7.8倍）。而傳統(tǒng)的光伏電池是，接收一個可見光的光子，將產(chǎn)生一個激子（電子-空隙對），所以利用硒化鉛量子點(diǎn)將大大提高光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率，這樣將會大大降低光伏電池的生產(chǎn)成本[6]。

2.5 保密量子通信

在保密量子通信中，是單個光子來傳遞信息，要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的信號傳輸，最重要的是要獲得高質(zhì)量的單光子源，目前實(shí)現(xiàn)單光源的方法是衰減的辦法，就是通過光衰減的方法來獲得單光子，現(xiàn)在的衰減技術(shù)無法獲得真正意義上的單光子。而低密度半導(dǎo)體量子點(diǎn)，就可以實(shí)現(xiàn)這一要求，因?yàn)樵谝粋€單光子源中只有一個單量子點(diǎn)，當(dāng)在單光子源上加泵浦是，一般只會發(fā)射單個光子，這樣就能夠達(dá)到保密量子通信的要求。

3 結(jié)束語

我們通過對半導(dǎo)體量子點(diǎn)的概念簡單的描述了量子點(diǎn)的定義，并列舉的半導(dǎo)體量子點(diǎn)的制備方法及每一種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，同時描述了半導(dǎo)體量子點(diǎn)在日常生活中的主要應(yīng)用的幾個方面。

［1］王占國，陳涌海，葉小玲，等.納米半導(dǎo)體技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社.

［2］M.T.Todaro,et al.Low-density self-assembled QDs grown directly in a GaAs matrix forquantum-communication applications at1300 nm wavelength.Microelecron.Eng.，2004，73：757.

［3］M.S Skolnick,D.J Mowbray.Recentdevelopments in the physics and applications of self-assembled quantum dots.Physica E：Low-dimensional Systems and Nanostructures，2004，21：155-163.

［4］候巍，單亞明，王麗萍.量子點(diǎn)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展.2004，8：436-438.

［5］譚艷芝.量子點(diǎn)的應(yīng)用及研究進(jìn)展.納米材料與應(yīng)用，2007，8：22-26.

［6］Robert F.Service.Shortfalls in Electron Production Dim Hopes for MEG Solar Cells.Science,2008，322：1784.

李世國（1978.04—），博士，深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，主要從事半導(dǎo)體低維光電材料與器件方面的研究。

感謝深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院項(xiàng)目對本論文資助（項(xiàng)目編號YB201006）。

王爽］