[发明专利]一种硅基锗量子点复合结构材料、其制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料的制备领域，具体涉及一种硅基锗量子点复合结构材料、其制备方法及应用。

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。

制备高效率的太阳能电池是解决当前能源危机的有效途径之一。提高太阳能电池转化效率的主要途径有两种：第一种是在电池中制备锥状或孔状等“陷光”结构，增加光线传输光程，提高电池的光电转化效率；第二种是通过制备特殊结构的半导体材料，拓宽太阳能电池活性层的光谱响应范围，提高其最终转化效率。

在第二种办法中，利用量子点材料的带隙随直径减小而变大的特点，设计叠层结构的量子点太阳能电池提高电池的光电转化效率已经成为当前的研究热点，并在实验中逐步得到验证。在材料选取上，由于硅（Si）、锗（Ge）量子点的材质及制备工艺同传统的半导体行业具有良好的兼容性，其量子点材料的光电性能及在太阳能电池领域的应用受到广泛关注。其中，锗量子点的激子波尔半径（exciton Bohr radius）可达24nm，远大于硅的激子波尔半径（5nm），在较大尺寸下就可以观察到明显的量子限域效应（quantum confinement effect），容易实现量子点的带隙调节，具有巨大的开发价值。

现有技术已有可以在非平面硅基底上生长硅锗量子阱的方法。量子阱是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。粗略地说，量子阱只在一个维度上的尺寸在100nm以下，结构上可以近似认为是二维材料。

对于量子点的制备方法，目前存在量子点尺寸较大、量子点密度不高、工艺流程复杂等问题，限制了量子点材料在实际器件中的进一步应用。

因此，本领域亟待开发一种硅基锗量子点的复合结构材料，所述复合结构材料的量子点密度较高，尺寸较大，且生产工艺简单。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种硅基锗量子点复合结构材料，所述复合结构材料中量子点的密度较高，量子点尺寸较大，光电转化率高。

本发明所述硅基锗量子点复合结构材料包括多孔硅基底，和生长在所述多孔硅基底上的锗量子点。

多孔硅（Porous Silicon）是在硅表面通过电化学腐蚀的方法形成的，具有以纳米硅晶粒为骨架的海绵状结构的新型功能材料。

本发明提供的在多孔硅基底上生长锗量子点的硅基锗量子点复合结构材料，具有多孔“陷光”结构，增加了光线的传输光程，提高了硅基锗量子点复合结构材料的光电转化效率。另外，多孔硅的比表面积较大，增加了生长在多孔硅上的量子点的密度。

本发明所述的生长在多孔硅基底上的锗量子点三个维度的尺寸优选都在20nm以下。

本发明提供的硅基锗量子点复合结构材料的光电转化率较生长有锗量子点的平面硅基底材料提高10%以上。

本发明的目的之二是提供一种如目的之一所述的硅基锗量子点复合结构材料的制备方法。

本发明所述硅基锗量子点复合结构材料的制备方法为将硅基底腐蚀得到多孔硅基底，然后在所述硅基底上生长锗量子点。

通过先将硅基底腐蚀得到多孔硅基底，之后在其上生长锗量子点后即可得到目的之一所述的硅基锗量子点复合结构材料，实现增加硅基底比表面积，从而提高其上生长的锗量子点的密度和尺寸的目的，且多孔硅表面的“陷光”增加了光线的传输光程，提高了光电转化率。

具体地，本发明所述硅基锗量子点复合结构材料的制备方法包括如下步骤：

（1）提供一硅基底，并对其进行清洗，得到一个清洁的硅基底；

（2）腐蚀清洁的硅基底，制备多孔硅基底；

（3）在所述多孔硅基底上沉积锗薄膜；

（4）将沉积有锗薄膜的多孔硅基底退火生长锗量子点。

图1是本发明所述硅基锗量子点复合结构材料的制备方法的工艺流程图。

其中，步骤（1）所述的清洗步骤本发明没有具体限定，只要能够得到一个清洁的硅基底，任何的清洗方法均可用于本发明。所述清洁的硅基底意指去除了表面的灰尘、油污的硅基底。

优选地，所述清洗硅基底的步骤为重复进行如下操作：依次分别用自来水超声清洗3～5min，去离子水超声清洗3～5min，乙醇和/或丙酮超声清洗5～10min；优选重复1～5次。