半導體量子點及其應用概述

李世國 王新中 范金坪 夏林中 張春曉 杜 軍

（深圳信息職業(yè)技術學院 廣東 深圳 518029）

半導體量子點及其應用概述

李世國 王新中 范金坪 夏林中 張春曉 杜 軍

（深圳信息職業(yè)技術學院 廣東 深圳 518029）

半導體量子點是由少量原子組成的準零維的納米量子結構，表現(xiàn)出較其它維度的結構的半導體材料更優(yōu)越的性能，被廣泛應用于量子計算、量子生物醫(yī)學、量子光伏器件、量子發(fā)光器件和量子探測器中，是現(xiàn)在前沿科學研究的熱門課題之一。

量子點；納米結構；量子效應；量子點應用

0 引言

近年來半導體材料科學主要朝兩個方向發(fā)展：一方面是不斷探索擴展新的半導體材料，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體材料體系，這就是能帶工程。半導體量子點就是通過改變其尺寸實現(xiàn)能級的改變，達到應用的目的，這就是半導體量子點能帶工程。半導體量子點是由少量原子組成的準零維納米量子結構，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。載流子在量子點的三個維度上運動受尺寸效應限制，量子效應非常顯著。在量子點中，由于量子限制效應作用，其載流子的能級類似原子有不連續(xù)的能級結構，所以量子點又叫人造原子。由于特殊能級結構，使得量子點表現(xiàn)出獨特的物理性質，如量子尺寸效應、量子遂穿效應、庫侖阻塞效應、表面量子效應、量子干涉效應、多體相關和非線性光學效應等，它對于基礎物理研究和新型電子和光電器件都有很重要的意義，量子點材料生長和器件應用研究一直是科學界的熱點之一[1]。

1 量子點制備方法

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

1.1 外延技術法

外延技術法制備半導體量子點，主要是利用當前先進的分子束外延（MBE）、金屬有機物分子束外延（MOCVD）和化學束外延（CBE）等技術通過自組裝生長機理，在特定的生長條件下，在晶格失配的半導體襯底上通過異質外延來實現(xiàn)半導體量子點的生長，在異質外延外延中，當外延材料的生長達到一定厚度后，為了釋放外延材料晶格失配產生的應力能，外延材料就會形成半導體量子點，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系，外延技術這是目前獲得高質量半導體量子點比較普遍的方法，缺點是對半導體量子點的生長都是在高真空或超高真空下進行，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或無機物經(jīng)過溶液、溶膠而固化形成量子點，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。這種制備量子點方法的優(yōu)點是，方法簡單，不需要復雜的儀器設備，成本較低，可以大面積制備納米顆粒，缺點是不易形成高質量晶體顆粒和極易受到空氣中的灰塵污染。

1.3 化學腐蝕法

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

2 量子點的應用

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

2.1 量子計算

在量子點中，通過加上很小的電壓，利用庫侖阻塞效應，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，進而控制數(shù)據(jù)的存貯或者計算，通過技術的不斷發(fā)展，在不久的將來可以利用量子點實現(xiàn)量子計算或者實現(xiàn)量子計算機。

2.2 光電器件

在量子點光電器件中，提供光增益的有源區(qū)介質是量子點，量子點由于特殊的尺寸限制表現(xiàn)出來的量子效應，使得他的態(tài)密度函數(shù)類似單個原子，是一個δ函數(shù)，使得量子點表現(xiàn)許多由于光學和電學特性。如以量子點為有源介質的量子點激光器，在理論上計算發(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，量子點的禁帶寬度除了跟材料本身的性質有關外，還跟量子點的大小有很大的關系。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的尺寸來控制。量子點尺寸越大，量子尺寸限制效應減弱，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，通過調節(jié)砷化銦量子點的尺寸大小，可實現(xiàn)發(fā)光器件的波長在1.4微米到2微米之間調節(jié)，這樣我們就可以根據(jù)實際需求選擇量子點尺寸，從而達到需要的波長。雖然量子點光電器件有這么多優(yōu)點，但在實際實際的應用中，受到量子點均勻性的影響，器件的很多性能遠沒有達到理論預計的值，與商用化的量子阱光電器件相比任然有很大的差距，然而通過制備技術和方法的不斷改進，量子點在廣電領域的前景是光明的[3]。

2.3 量子生物醫(yī)學

在生命科學領域，熒光圖像技術是一種重要的手段，然而傳統(tǒng)的有機染料非常容易淬滅，在實際應用中非常不方便，無法對標記物進行長期的跟蹤和觀察。而量子點的優(yōu)點是發(fā)光波長可調，發(fā)光強度高和化學穩(wěn)定性好，非常適合用在用于標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，而半導體量子點發(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)光的量子點標記到組織或細胞內的特異組分上，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部的情況，達到診斷的目的[4]。

另外，量子點也可用于生物芯片研究。在生物芯片中，研究多個蛋白質就只能多次重復相同操作標記，非常不方便。而量子點的發(fā)光波長可以通過尺寸的改變來實現(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或量子點微粒標記各種蛋白質，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記的蛋白質與芯片上的蛋白質之間的相互作用[5]。

2.4 光伏電池

光伏電池中最重要的一個參數(shù)是光電轉換效率，研究發(fā)現(xiàn)利用半導體硒化鉛量子點作為有源材料，當吸收一個高能量可見光的光子，將產生7個左右的激子 （相當于硒化鉛量子點禁帶寬度能量的7.8倍）。而傳統(tǒng)的光伏電池是，接收一個可見光的光子，將產生一個激子（電子-空隙對），所以利用硒化鉛量子點將大大提高光伏電池的光電轉換效率，這樣將會大大降低光伏電池的生產成本[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，要實現(xiàn)高質量的信號傳輸，最重要的是要獲得高質量的單光子源，目前實現(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)在的衰減技術無法獲得真正意義上的單光子。而低密度半導體量子點，就可以實現(xiàn)這一要求，因為在一個單光子源中只有一個單量子點，當在單光子源上加泵浦是，一般只會發(fā)射單個光子，這樣就能夠達到保密量子通信的要求。

3 結束語

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

［1］王占國，陳涌海，葉小玲，等.納米半導體技術.化學工業(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.量子點技術在生物醫(yī)學領域的應用進展.2004，8：436-438.

［5］譚艷芝.量子點的應用及研究進展.納米材料與應用，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)技術學院，講師，主要從事半導體低維光電材料與器件方面的研究。

感謝深圳信息職業(yè)技術學院項目對本論文資助（項目編號YB201006）。

王爽］