專利名稱：具有隧穿勢(shì)壘嵌在無機(jī)基質(zhì)中的量子點(diǎn)的中能帶光敏器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及光敏光電器件。更具體地說，涉及具有在無機(jī) 半導(dǎo)體基質(zhì)中提供中能帶的無機(jī)量子點(diǎn)的中能帶光敏光電器件。
背景技術(shù)：
光電器件依靠材料的光學(xué)和電學(xué)屬性，以電子地產(chǎn)生或探測(cè)電磁 輻射，或從環(huán)境電磁輻射產(chǎn)生電。
光敏光電器件將電磁輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)或電。太陽能電池，也稱 作光生伏打("PV")器件，是一種光敏光電器件，特別用來產(chǎn)生電能。 光電導(dǎo)體電池是一種光敏光電器件，與信號(hào)探測(cè)電路結(jié)合使用，其中， 信號(hào)探測(cè)電路監(jiān)測(cè)器件的電阻以探測(cè)由于吸收光而引起的變化。光電 探測(cè)器，可以接收施加的偏壓，是一種光敏光電器件，與電流探測(cè)電 路結(jié)合使用，電流探測(cè)電路測(cè)量光探測(cè)器暴露于電磁輻射時(shí)產(chǎn)生的電
流。
根據(jù)是否存在下面限定的整流結(jié)以及也根據(jù)該器件是否利用外部 施加電壓而工作，可以區(qū)分這三類光敏光電器件，外部施加的電壓亦 稱為偏置或偏壓。光電導(dǎo)體電池不具有整流結(jié)，以及通常利用偏壓工 作。PV器件具有至少一個(gè)整流結(jié)以及不利用偏壓工作。光探測(cè)器具有 至少一個(gè)整流結(jié)以及通常但不是一直利用偏壓工作。
在此使用的術(shù)語"整流"表示，尤其，具有不對(duì)稱導(dǎo)電特性的界面，
即，優(yōu)選在一個(gè)方向上支持電荷傳輸?shù)慕缑?。術(shù)語"光電導(dǎo)的"通常 涉及其中吸收電磁輻射能并由此轉(zhuǎn)化為電荷載流子的激發(fā)能，以便載
流子可以在材料中傳導(dǎo)(即，傳輸)電荷的過程。術(shù)語"光電導(dǎo)材料" 指利用它們吸收電磁輻射的性能來產(chǎn)生電荷載流子的半導(dǎo)體材料。當(dāng) 在光電導(dǎo)材料上入射適當(dāng)能量的電磁輻射時(shí)，可以吸收光子，以產(chǎn)生 激發(fā)態(tài)?？梢杂胁迦雽?，除非規(guī)定第一層"物理接觸"或"直接接觸"
第二層。
在光敏器件的情況下，整流結(jié)被稱為光生伏打異質(zhì)結(jié)。為了在占 據(jù)大量體積的光生伏打異質(zhì)結(jié)處內(nèi)部地產(chǎn)生電場(chǎng)，通常的方法是利用
適當(dāng)?shù)剡x擇的半導(dǎo)體屬性并置(juxtapose)兩個(gè)材料層，特別相對(duì)于它
們的費(fèi)米能級(jí)和能帶邊緣。
無機(jī)光生伏打異質(zhì)結(jié)的類型包括在p-型摻雜材料和n-型摻雜材料 的界面處形成的p-n異質(zhì)結(jié)和在無機(jī)光電導(dǎo)材料和金屬的界面處形成 的肖特基-阻擋異質(zhì)結(jié)。
在無機(jī)光生伏打異質(zhì)結(jié)中，形成異質(zhì)結(jié)的材料通常表示為p-型或 n-型。這里，n-型表示多數(shù)載流子類型是電子。這可以被看作材料具有 許多相對(duì)自由能態(tài)的電子。p-型表示多數(shù)載流子類型是空穴。這種材料 具有許多相對(duì)自由能態(tài)的空穴。
半導(dǎo)體和絕緣體的一個(gè)共同特點(diǎn)是"帶隙"。帶隙是用電子填充 的最高能級(jí)和空的最低能級(jí)之間的能量差。在無機(jī)半導(dǎo)體或無機(jī)絕緣 體中，該能量差是價(jià)帶邊緣Ev (價(jià)帶的頂部)和導(dǎo)帶邊緣Ec (導(dǎo)帶的 底部)之間的差值。純材料的帶隙缺乏電子和空穴可能存在的能量態(tài)。 對(duì)于傳導(dǎo)唯一可用的載流子是電子和空穴，這些電子和空穴具有足夠 的被激發(fā)的能量穿越帶隙。通常，與絕緣體相比，半導(dǎo)體具有較小的 帶隙。
根據(jù)能帶模型，到導(dǎo)帶中價(jià)帶電子的激發(fā)產(chǎn)生載流子；亦即，電 子是在帶隙的導(dǎo)帶側(cè)的電荷載流子，空穴是在帶隙的價(jià)帶側(cè)的電荷載 流子。
相對(duì)于平衡條件下的能帶圖上的能級(jí)位置，在此使用的第一能級(jí) 在第二能級(jí)"上面"、"大于"或"高于"第二能級(jí)。能帶圖是半導(dǎo) 體模型的骨干(workhorse)。如傳統(tǒng)的無機(jī)材料，調(diào)整相鄰摻雜材料 的能量排列(alignment)，以對(duì)準(zhǔn)各種材料的費(fèi)米能級(jí)(EF)，彎曲 摻雜-摻雜界面和摻雜-本征界面之間的真空能級(jí)。
如傳統(tǒng)的能帶圖，有利地促使電子移動(dòng)到較低能級(jí)，而有利地促 使空穴移動(dòng)到較高能級(jí)(對(duì)于空穴是低勢(shì)能，但是相對(duì)于能帶圖是高 勢(shì)能)。更簡(jiǎn)潔地，電子下降，而空穴上升。
在無機(jī)半導(dǎo)體中，在導(dǎo)帶(Ec)邊緣上面可能有導(dǎo)帶的連續(xù)區(qū)， 以及在價(jià)帶邊緣(Ev)下面可能有價(jià)帶的連續(xù)區(qū)。
在無機(jī)和有機(jī)半導(dǎo)體中載流子遷移率是重要的屬性。遷移率測(cè)量 電荷載流子響應(yīng)于電場(chǎng)可以穿過導(dǎo)電材料移動(dòng)的容易程度。與半導(dǎo)體 相比，絕緣體通常提供較差的載流子遷移率。

發(fā)明內(nèi)容
多個(gè)量子點(diǎn)包括第一無機(jī)材料，以及每個(gè)量子點(diǎn)由第二無機(jī)材料 覆蓋。被覆蓋的量子點(diǎn)處于第三種無機(jī)材料的基質(zhì)中。至少第一和第 三材料是光導(dǎo)半導(dǎo)體。將第二材料設(shè)置為隧穿勢(shì)壘，以要求第三材料
中的隧穿勢(shì)壘基部(base)處的電荷載流子(電子或空穴)執(zhí)行量子機(jī) 械隧穿，從而到達(dá)各個(gè)量子點(diǎn)內(nèi)的第一材料。每個(gè)量子點(diǎn)中的第一量 子態(tài)處在其中嵌入覆蓋量子點(diǎn)的第三材料的導(dǎo)帶邊緣和價(jià)帶邊緣之 間。多個(gè)量子點(diǎn)的第一量子態(tài)的波函數(shù)可以重疊以形成中能帶。
在電荷載流子為電子的情況下，第一量子態(tài)是，第一材料的帶隙 上面的量子態(tài)。在電荷載流子為空穴的情況下，第一量子態(tài)是，第一 材料的帶隙下面的量子態(tài)。
每個(gè)量子點(diǎn)也可以具有第二量子態(tài)。在電荷載流子為電子的情況 下，第二量子態(tài)在第一量子態(tài)上面，且在第三材料的導(dǎo)帶邊緣的 士0.16eV的范圍內(nèi)。在載流子為空穴的情況下，第二量子態(tài)在第一量子 態(tài)下面，且在第三材料的價(jià)帶邊緣的i0.16eV的范圍內(nèi)。
隧穿勢(shì)壘的高度是隧穿勢(shì)壘的峰值和基部之間的能級(jí)差值的絕對(duì) 值。隧穿勢(shì)壘的高度和電位分布以及覆蓋每個(gè)量子點(diǎn)的第二材料厚度 的組合可以對(duì)應(yīng)于電荷載流子將從第三材料隧穿到各個(gè)覆蓋量子點(diǎn)內(nèi) 的第一材料中的0.1和0.9之間的隧穿概率。對(duì)于0.1和0.9之間的隧 穿概率，第二材料的覆蓋厚度優(yōu)選在O.l至IO納米的范圍內(nèi)。
更優(yōu)選地，隧穿勢(shì)壘的高度和電位分布以及覆蓋每個(gè)量子點(diǎn)的第 二材料厚度的組合可以對(duì)應(yīng)于載流子將從第三材料隧穿到各個(gè)覆蓋量
子點(diǎn)內(nèi)的第一材料中的0.2和0.5之間的隧穿概率。對(duì)于0.2和0.5之 間的隧穿概率，第二材料的覆蓋厚度優(yōu)選在O.l至IO納米的范圍內(nèi)。
第二材料可以晶格匹配第三材料。可以將嵌入的、覆蓋的量子點(diǎn)設(shè)置在器件中，該器件進(jìn)一步包括 處于層疊關(guān)系的無機(jī)p-型層和無機(jī)n-型層，將第三材料中嵌入的被覆 蓋的量子點(diǎn)設(shè)置在p-型層和n-型層之間。在載流子是電子的情況下，
p-型層的導(dǎo)帶邊緣優(yōu)選地高于隧穿勢(shì)壘的峰值。在載流子是空穴的情況
下，n-型層的價(jià)帶邊緣優(yōu)選地低于隧穿勢(shì)壘的峰值。
對(duì)于每個(gè)量子點(diǎn)，第二材料的覆蓋厚度優(yōu)選在0.1至IO納米的范 圍內(nèi)。更優(yōu)選地，在0.1至10納米的范圍內(nèi)，第二材料的覆蓋厚度等 于不超過穿過各個(gè)量子點(diǎn)中心的第一材料的平均截面厚度的10%。
可以將嵌入的、覆蓋的量子點(diǎn)設(shè)置在諸如太陽能電池的光敏器件中。


圖1示出了中能帶太陽能電池。
圖2A和2B是無機(jī)基質(zhì)材料中的無機(jī)量子點(diǎn)的截面的能帶圖，在 提供中能帶的導(dǎo)帶中具有最低量子態(tài)。
圖3A和3B是無機(jī)基質(zhì)材料中的無機(jī)量子點(diǎn)的截面的能帶圖，在
提供中能帶的價(jià)帶中具有最高量子態(tài)。
圖4是圖1的中能帶太陽能電池的能帶圖，具有在無機(jī)基質(zhì)材料 中的無機(jī)量子點(diǎn)，在提供中能帶的導(dǎo)帶中具有最低量子態(tài)。
圖5示出了通常是理想化的并在膠狀溶液中形成的圖1的器件中 的量子點(diǎn)陣列的截面。
圖6示出了如果使用Stranski-Krastanow方法制造的圖1中的器件 中的量子點(diǎn)陣列的截面。
圖7是無機(jī)基質(zhì)材料中的無機(jī)量子點(diǎn)的截面的能帶圖，示出了經(jīng) 過電子的去激發(fā)和俘獲。
圖8示出了圖5中所示的量子點(diǎn)陣列的改進(jìn)的以包括隧穿勢(shì)壘的 截面圖。
圖9A和9B是包括隧穿勢(shì)壘的量子點(diǎn)截面的能帶圖，在提供中能
帶的帶隙上面具有最低量子態(tài)。
圖IO是基于圖1中的設(shè)計(jì)的太陽能電池的改進(jìn)量子點(diǎn)以包括隧穿
勢(shì)壘，以及在提供中能帶的帶隙上面具有最低量子態(tài)的能帶圖。
圖IIA和IIB是包括隧穿勢(shì)壘的量子點(diǎn)截面的能帶圖，在提供中 能帶的帶隙下面具有最高量子態(tài)。
圖12是基于圖1中的設(shè)計(jì)的太陽能電池的改進(jìn)量子點(diǎn)以包括隧穿 勢(shì)壘，以及在提供中能帶的帶隙下面具有最高量子態(tài)的能帶圖。
圖13示出了如果使用Stranski-Krastanow方法制造的改進(jìn)為包括 隧穿勢(shì)壘的量子點(diǎn)陣列的截面圖。
圖14鄰15表示穿過矩形勢(shì)壘的隧穿。
圖16表示三角形隧穿勢(shì)壘。
圖17表示拋物線隧穿勢(shì)壘。
這些圖不必按比例繪制。
具體實(shí)施例方式
為了提高太陽能電池的效率正研究的一種方法是使用量子點(diǎn)在太 陽能電池的帶隙內(nèi)產(chǎn)生中能帶。量子點(diǎn)將三維中的電荷載流子(電子、 空穴和/或激發(fā)子)限制為離散量子能態(tài)。每個(gè)量子點(diǎn)的截面尺寸典型 地約為數(shù)百埃或更小。在其他方法之中，通過重疊量子點(diǎn)之間的波函 數(shù)，可區(qū)分中能帶結(jié)構(gòu)。"中間"能帶是通過重疊波函數(shù)形成的連續(xù) 微帶。盡管波函數(shù)重疊，但是在相鄰點(diǎn)之間沒有物理接觸。
圖1示出了中能帶器件的例子。該器件包括第一接觸件110、第一 過渡層115、在半導(dǎo)體塊狀基質(zhì)材料120中嵌入的多個(gè)量子點(diǎn)130、第 二過渡層150以及第二接觸件155。
在由無機(jī)材料制成的器件中， 一個(gè)過渡層(115、 150)可以是p-型，另一過渡層是n-型。塊狀基質(zhì)材料120和量子點(diǎn)130可以是本征的(未摻雜)。過渡層115、 150和塊狀基質(zhì)材料120之間的界面可以 提供整流、極化器件內(nèi)流動(dòng)的電流。另外，通過接觸件(110、 155) 和過渡層(115、 150)之間的界面，可以提供電流整流。
根據(jù)能帶的設(shè)置，中能帶可以對(duì)應(yīng)于點(diǎn)130中的帶隙上面的最低 量子態(tài)，或點(diǎn)130中的帶隙下面的最高量子態(tài)。
圖2A、 2B、 3A和3B是穿過無機(jī)塊狀基質(zhì)材料120中的示例無機(jī) 量子點(diǎn)130的截面的能帶圖。在該點(diǎn)內(nèi)，將導(dǎo)帶分為量子態(tài)275，以及 將價(jià)帶分為量子態(tài)265。
在圖2A和2B中，點(diǎn)的導(dǎo)帶中的最低量子態(tài)(Ee，,)提供中能帶 280。具有能量h、的第一光子的吸收使電子能量增加EL，將電子從價(jià)
帶激發(fā)到該量子點(diǎn)的導(dǎo)帶電子基態(tài)E^。具有能量hV2的第二光子的吸
收使電子能量增加EH，將電子從該量子點(diǎn)的基態(tài)Ee，廣激發(fā)到塊狀半導(dǎo) 體120的導(dǎo)帶邊緣，因此電子對(duì)光電流無貢獻(xiàn)。具有能量hv4的第三光 子的吸收使電子能量增加Ee，將電子從價(jià)帶直接激發(fā)到導(dǎo)帶中(這也 可能發(fā)生在塊狀基質(zhì)材料120本身中)，因此電子對(duì)光電流無貢獻(xiàn)。
在圖3A和3B中，價(jià)帶中的最高量子態(tài)(Eh,。提供中能帶280。 具有能量h力的第一光子的吸收使具有能量Ew的電子能量增加Eh，將 電子從帶隙的價(jià)帶側(cè)激發(fā)到導(dǎo)帶中，由此產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。概念上， 這些可以被認(rèn)為通過EH激發(fā)導(dǎo)帶中的空穴，由此將空穴移動(dòng)到Eh，,量
子態(tài)中。具有能量hV2的第二光子的吸收使空穴的勢(shì)能增加El，將電
子從該量子點(diǎn)的基態(tài)Eh，r激發(fā)到塊狀半導(dǎo)體120的價(jià)帶邊緣，因此空穴 對(duì)光電流無貢獻(xiàn)。
圖4示出了利用具有圖2A和2B表示的分布圖的點(diǎn)陣列的中能帶 器件的能帶圖。相鄰量子點(diǎn)之間的EeJ能態(tài)的重疊波函數(shù)的集合 (aggregate)在塊狀基質(zhì)半導(dǎo)體120的導(dǎo)帶邊緣(Ec)和價(jià)帶邊緣(Ev)
之間提供中能帶280。在相同的器件中，如果省略量子點(diǎn)，那么能量
hv4的光子的吸收產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，由此產(chǎn)生光電流。中能帶280允許 兩個(gè)子帶隙光子h力和hv2的吸收，導(dǎo)致附加光電流的產(chǎn)生。在圖4中， 設(shè)置過渡層115和150以產(chǎn)生整流。
圖5示出了包括球形量子點(diǎn)陣列的器件的截面圖。實(shí)際上，該點(diǎn) 的實(shí)際形狀取決于制造技術(shù)的選擇。例如，可以以膠狀溶液，如巳知 的"溶膠-凝膠"工藝，形成無機(jī)量子點(diǎn)作為半導(dǎo)體納米微晶。利用其 它的設(shè)置，即使實(shí)際的點(diǎn)不是真正的球面，但是球面可以提供精確模 型。
例如，在無機(jī)基質(zhì)中的無機(jī)量子點(diǎn)生成中，已成功的外延方法是 Stranski-Krastanow方法(有日寸,在文獻(xiàn)中稱作Stransky-Krastanow)。該 方法在點(diǎn)和塊狀基質(zhì)之間有效地產(chǎn)生晶格錯(cuò)配張力，同時(shí)最小化晶格 損傷和缺陷。Stranski-Krastanow有時(shí)被稱為"自組裝量子點(diǎn)"(SAQD)技術(shù)。
在利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積(MOCVD)或分子束外延(MBE) 的晶體生長(zhǎng)過程中，自組裝量子點(diǎn)自然地出現(xiàn)，基本上沒有缺陷。使 用Stranski-Krastanow方法的生長(zhǎng)條件，可以產(chǎn)生自排序的微小點(diǎn) (~10nm)的陣列和疊層，具有高面密度(>10ucm'2)和光學(xué)質(zhì)量。自 排序量子點(diǎn)(SOQD)技術(shù)能夠生成三維準(zhǔn)晶體，該三維準(zhǔn)晶體由輻射 再結(jié)合占主導(dǎo)的高密度的無缺陷量子點(diǎn)組成。
圖6示出了通過Stranski-Krastanow方法制造的中能帶器件的截面 圖。在塊狀基質(zhì)材料130上形成浸潤層132 (例如， 一個(gè)單層)。用來 形成浸潤層132的材料(例如，InAs)具有不同于塊狀材料(例如， GaAs)的本征晶格間距，但是生長(zhǎng)為與該塊狀晶格對(duì)準(zhǔn)的應(yīng)變層。此 后，自發(fā)成核(~1.5單層)形成點(diǎn)，在點(diǎn)生長(zhǎng)之后，生成量子點(diǎn)層131。 塊狀層121過度生長(zhǎng)(在量子點(diǎn)層131上面)基本上沒有缺陷。點(diǎn)之
間的浸潤層，具有在該點(diǎn)形成過程中保持不變的厚度，對(duì)器件的電和
光學(xué)屬性無顯著貢獻(xiàn)，以致在文獻(xiàn)中，由Stranski-Krastanov方法產(chǎn)生 的點(diǎn)經(jīng)常被理想化為圖5所示的球面。(該點(diǎn)之間的浸潤層不認(rèn)為是 點(diǎn)之間的"連接")。
關(guān)于無機(jī)中能帶量子點(diǎn)器件及制造的附加背景參見A.Marti等人 的，"Design constraints of quantum-dot intermediate band solar cell, "Physica E 14, 150-157 (2002); A. Luque等人的，"Progress towards the practical implementation of the intermediate band solar cell," Conference Record of the Twenty-Ninth IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 1190-1193 (2002) ; A. Marti等人的，"Partial Filling of a Quantum Dot Intermediate Band for Solar Cells, "IEEE Transactions on Electron Devices, 48, 2394-2399 (2001); Y.Ebiko等人的，"Island Size Scaling in InAs/GaAs Self-Assembled Quantum Dots, "Physical Review Letters 80, 2650-2653(1998);以及Petroff等人的U.S. Patent 6,583，436B2( June 24: 2003);在此引入每個(gè)文獻(xiàn)作為參考，用于描述技術(shù)現(xiàn)狀。
盡管形成改進(jìn)器件性能的中能帶，但是該結(jié)果未能解決光電流的 預(yù)期理論改進(jìn)。已確定的一個(gè)問題是通過自由載流子的量子點(diǎn)俘獲， 該自由載流子的量子點(diǎn)將另外有助于光電流。圖7示出了當(dāng)電荷載流 子衰退到激發(fā)態(tài)Ee,2 (701)或基態(tài)Ee;1 (702， 703)時(shí)，量子點(diǎn)130 俘獲自由電子。該去激發(fā)處理減小光電流，因?yàn)槟芰勘晃盏阶鳛槁?子的晶格中。類似地，空穴也發(fā)生載流子去激發(fā)和俘獲。由此，為了 提高中能帶太陽能電池的性能，需要減小由于電荷俘獲引起的載流子 去激發(fā)。
用于減小去激發(fā)俘獲的解決辦法是用薄的勢(shì)壘殼包封每個(gè)量子 點(diǎn)，以要求載流子執(zhí)行量子機(jī)械隧穿，從而進(jìn)入該點(diǎn)。在經(jīng)典力學(xué)中， 當(dāng)電子撞擊高電位的勢(shì)壘時(shí)，它完全由電位"壁"約束。在量子力學(xué) 中，該電子可以由其波函數(shù)表示。該波函數(shù)不會(huì)在有限電位高度的壁
處突然終止，它可以穿透該勢(shì)壘。這些相同的原理也應(yīng)用于空穴。電
子或空穴隧穿通過有限高度的勢(shì)壘的概率r,不是零，該概率r,可以通
過求解Schr。dinger公式來確定。根據(jù)r,，在勢(shì)壘的另一側(cè)上簡(jiǎn)單地再 現(xiàn)電子或空穴撞擊勢(shì)壘。關(guān)于量子機(jī)械隧穿現(xiàn)象和Schr6dinger公式的 附加背景論述，參見下面用圖14-17的論述，以及Robert F.Pierret， "Modular Series On Solid State Devices Volume VI， Advanced Semiconductor Fundamentals," Chapter 2, Elements of Quantum Mechanics, 25-51, Addison-Wesley Publishing (1989);以及Kwok K.Ng, "Complete Guideto Semiconductor Devices," 2d ed.， Appendix B8, Tunneling, 625-627,Wiley-Interscience (2002)。在lt匕弓|入Pierret禾口 Ng 的這些章節(jié)作為它們的背景說明的參考。
圖8是量子點(diǎn)陣列的概括截面圖，將每個(gè)量子點(diǎn)改進(jìn)為包括隧穿 勢(shì)壘140。
圖9A和9B是表示改進(jìn)的包括隧穿勢(shì)壘140和具有作為中能帶280 的帶隙上面的量子態(tài)的量子點(diǎn)的能帶圖。 一些自由電子將被隧穿勢(shì)壘 排斥(901)。這種電子仍然可以有助于光電流。 一些自由電子將通過 隧穿勢(shì)壘(902)隧穿到點(diǎn)中，然后從該點(diǎn)出去。
如果抽象地考慮勢(shì)壘140，從勢(shì)壘的兩側(cè)中的任何一側(cè)，自由電子
將隧穿通過它的概率是相同的。例如，如果勢(shì)壘存在o.5的隧穿概率(r,)，
那么撞擊在勢(shì)壘上的電子(具有能量E)將有50。/。的機(jī)會(huì)隧穿。但是， 由于空間的限制，具有Ec,b逾或更高能量的電子不斷地碰撞該勢(shì)壘，因 此量子點(diǎn)本身內(nèi)的小面積限制導(dǎo)致在使電子下降到較低能態(tài)的減輕和/ 或去激發(fā)之前，個(gè)別電子將更可能逸出。
通過具有能量h、的光子，該點(diǎn)內(nèi)的帶隙下面的電子被激發(fā)為提供
中能帶的第一量子態(tài)(例如，Ee，。。從該中能帶，具有能量hV2的光
子可以將電子激發(fā)到它將通過(卯3)隧穿勢(shì)壘140隧穿到塊狀基質(zhì)材
料120的Ec,wk能級(jí)的能量。此外，具有能量hV3的光子可以激發(fā)勢(shì)壘
140上面(904)的電子。勢(shì)壘上面被激發(fā)的電子具有AEJ勺過剩能量。 該過剩能量AEi隨勢(shì)壘上面被激發(fā)的電子衰退到Ec，bulk能級(jí)而迅速地 損失。與沒有隧穿勢(shì)壘140情況下的俘獲能量損失相比，該過剩能量 的損失是較次要的，通常，發(fā)生在電子被相鄰點(diǎn)俘獲之前(即，進(jìn)入 隧穿勢(shì)壘140上面的而不是穿過隧穿勢(shì)壘140的相鄰點(diǎn))。
能量hv4的光子可以將電子從Ev,bdk能級(jí)直接激發(fā)到它通過(905) 隧穿勢(shì)壘140隧穿到塊狀基質(zhì)材料的Ec.buik能級(jí)的能級(jí)。此外，具有能 量hv5的光子可以從勢(shì)壘140上面(906)的Ev,bu!k能級(jí)直接激發(fā)電子。
為了進(jìn)一步最小化經(jīng)過該點(diǎn)(902)和離開該點(diǎn)的自由電子將經(jīng)歷 去激勵(lì)的概率，優(yōu)選第二量子態(tài)(例如，Ee，2)基本上等于塊狀材料的 Ec，b函的能級(jí)。具體地，該第二量子態(tài)優(yōu)選在Ec,bu化能級(jí)a是波耳茲 曼常數(shù)和r是工作溫度)的士5W的范圍內(nèi)，由此在第二量子態(tài)和Ec,b疏 能級(jí)之間產(chǎn)生重疊。自由電子，如果在對(duì)應(yīng)于該點(diǎn)內(nèi)的禁帶能級(jí)的能 量下進(jìn)入該點(diǎn)，那么由于激發(fā)，在統(tǒng)計(jì)上更可能被俘獲；那么通過定 位Ec,b函能級(jí)的士5^r內(nèi)的點(diǎn)中的第二量子態(tài)，俘獲的概率減小。
無機(jī)光敏器件的工作溫度通常規(guī)定為具有r=-40°C至+100。C的范
圍。因此，使用+ioo°c作為最大極限并求解±5^r (即，
5xl.3806505E陽23(J/K)/1.602E-19(J/eV)x(7^C+273.15)。K)，第二量子態(tài) 應(yīng)該在塊狀基質(zhì)材料120的導(dǎo)帶邊緣的i0.16eV的范圍內(nèi)。
圖10是使用圖9A和9B的量子點(diǎn)的器件的能帶圖。設(shè)置過渡層 115和150以產(chǎn)生整流，由此控制電流的方向。根據(jù)量子點(diǎn)和過渡層 115之間的相對(duì)接近度和電子逸出勢(shì)壘140上面(904或906)的點(diǎn)至 衰退為Ec,b疏能級(jí)需要花費(fèi)的時(shí)間，對(duì)于某些結(jié)構(gòu)，逸出勢(shì)壘140上 面的點(diǎn)的電子可能具有足夠的能量，以產(chǎn)生流入過渡層115的反向電 流。因此，根據(jù)接近度和衰變時(shí)間，應(yīng)該對(duì)AE3給予考慮，AE3是過渡 層115的導(dǎo)帶邊緣(Ec,p
-transition
)和隧穿勢(shì)壘140的導(dǎo)帶邊緣(Ec,"e》 峰值之間的差值。為了在與過渡層115的界面處保持整流，p-型過渡層 115的Ec，p
-transition
帶隙邊緣優(yōu)選大于隧穿勢(shì)壘(ECba iM)的導(dǎo)帶峰值。
圖IIA和IIB是表示改進(jìn)的量子點(diǎn)的能帶圖，該量子點(diǎn)改進(jìn)為包 括隧穿勢(shì)壘140和具有低于作為中能帶280的帶隙的量子態(tài)。 一些空 穴將被隧穿勢(shì)壘排斥(1101)。這種空穴仍然可以有助于光電流。一 些空穴將通過隧穿勢(shì)壘(1102)隧穿到該點(diǎn)中，然后從該點(diǎn)出去。
如同上述的電子示例一樣，由于空間的限制，具有Ev,bu,k或更低 能級(jí)的空穴不斷地碰撞在勢(shì)壘上，在減輕和/或去激發(fā)之前，量子點(diǎn)本 身內(nèi)的小面積限制導(dǎo)致個(gè)別空穴將逸出的可能性較高，導(dǎo)致空穴"下 降"到較高能態(tài)。
該點(diǎn)內(nèi)的帶隙上面的空穴被激發(fā)到第一量子態(tài)(例如，Eh"，通 過具有能量h、的光子提供中能帶(如同上面圖3A和3B所述的原理 一樣，導(dǎo)帶中的空穴的激發(fā)在概念上可與在中能帶中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，
與電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中以及空穴留在中能帶中互換)。從中能帶，具 有能量hv2的光子可以將空穴激發(fā)到它將通過隧穿勢(shì)壘140隧穿到塊狀 基質(zhì)材料120的Ev,buik能級(jí)的能量。此外，具有能量hv3的光子可以激 發(fā)勢(shì)壘140上面的空穴(1104)(由于空穴上升，使用"上面")。 勢(shì)壘上面被激發(fā)的空穴具有AE2的過剩能量。該過剩能量AE2隨勢(shì)壘 上面被激發(fā)的空穴衰退到Ev,bulk能級(jí)而迅速地?fù)p失。與沒有隧穿勢(shì)壘 140情況下的俘獲的能量損失相比，該過剩能量的損失是較次要的，能 量損失通常在空穴可能被相鄰點(diǎn)俘獲之前發(fā)生(即，進(jìn)入隧穿勢(shì)壘140 上面，而不是穿過隧穿勢(shì)壘140的相鄰點(diǎn))。
能量hv4的光子可以將空穴從Ec,bulk能級(jí)直接激發(fā)到它穿過 (1105)隧穿勢(shì)壘140隧穿到塊狀基質(zhì)材料的Ev,bu,k能級(jí)的能級(jí)。此外， 具有能量hvs的光子可以從勢(shì)壘140上面(1106)的Ec，bu壓能級(jí)直接激
發(fā)空穴。
為了進(jìn)一步最小化經(jīng)過(1102)該點(diǎn)和從該點(diǎn)出去的空穴將受到 去激勵(lì)的概率，優(yōu)選該量子點(diǎn)的價(jià)帶的第二量子態(tài)(例如，Eh,2)基本 上等于塊狀材料的Ev，bu,k能級(jí)。具體地，第二量子態(tài)應(yīng)該在塊狀材料的
Ev,bu,k能級(jí)的士5^r內(nèi)，由此在第二量子態(tài)和Ev,bu,k能級(jí)之間產(chǎn)生重疊。
空穴，如果進(jìn)入對(duì)應(yīng)于該點(diǎn)內(nèi)的禁帶能級(jí)的能量處的點(diǎn)，那么由于去
激發(fā)，在統(tǒng)計(jì)上更可能被俘獲；通過在Ev,wk能級(jí)的士5^r內(nèi)的點(diǎn)中定 位第二量子態(tài)，減小了俘獲的概率。
圖12是利用圖IIA和11B的量子點(diǎn)的器件能帶圖。再次設(shè)置過 渡層115和150以產(chǎn)生整流，由此控制電流方向。根據(jù)該量子點(diǎn)和過 渡層150之間的相對(duì)接近度和空穴逸出勢(shì)壘140上面(1104或1106) 的點(diǎn)以衰退至Ev,bulk能級(jí)需要花費(fèi)的時(shí)間，對(duì)于某些結(jié)構(gòu)，逸出勢(shì)壘 140上面的點(diǎn)的空穴可以具有足夠的能量，以產(chǎn)生流入n-型過渡層150 的反向電流。因此，根據(jù)接近度和衰變時(shí)間，應(yīng)該對(duì)AE4給予考慮，AE4 是過渡層150的價(jià)帶邊緣(Ev，n.transiti。n)和隧穿勢(shì)壘140的價(jià)帶邊緣 (Ev,ba ier)峰值之間的差值。為了在與過渡層150的界面處保持整流， 過渡層150的Ev，
n-traiisition
帶隙邊緣優(yōu)選低于隧穿勢(shì)壘(Ev,ba ie》的價(jià)帶峰值。
在此使用的隧穿電子的勢(shì)壘"峰值"是勢(shì)壘的Ec，b^^的最高能量
邊緣，而"基部"與勢(shì)壘的界面處的塊狀基質(zhì)材料中的Ec，bi能級(jí)同量。 隧穿空穴的勢(shì)壘的"峰值"是勢(shì)壘的Ec.bM^的最低能量邊緣，而"基 部"與勢(shì)壘的界面處的塊狀基質(zhì)材料中的Ev，bu^能級(jí)同量。
在圖9A和9B說明和呈現(xiàn)的無機(jī)量子點(diǎn)的特性是，在無機(jī)量子點(diǎn) 中，E^量子態(tài)可以對(duì)應(yīng)于或可以不對(duì)應(yīng)于量子點(diǎn)材料的導(dǎo)帶邊緣(帶 隙的頂部)。該點(diǎn)材料的帶隙通常圖示為似乎它是塊狀材料，即使在 量子點(diǎn)內(nèi)設(shè)置的材料帶隙邊緣不是"允許的"量子態(tài)。無機(jī)量子點(diǎn)內(nèi)
允許的量子態(tài)的位置取決于波函數(shù)。作為巳知技術(shù)，可以設(shè)置波函數(shù)/
量子態(tài)的位置。如圖9A和9B的所示，這可能導(dǎo)致Ee^量子態(tài)被定位
遠(yuǎn)離帶隙邊緣。換句話說，無機(jī)量子點(diǎn)中的帶隙邊緣不必是允許的量
子態(tài)。這些特性也應(yīng)用于無機(jī)量子點(diǎn)的價(jià)帶側(cè)(即，圖IIA和11B中 的Ew)。
有機(jī)塊狀基質(zhì)材料120的特性可以包括在無機(jī)塊狀基質(zhì)材料的帶 隙邊緣上面和下面形成價(jià)帶連續(xù)區(qū)260和導(dǎo)帶連續(xù)區(qū)270。實(shí)質(zhì)上，這 些連續(xù)區(qū)是一片能態(tài)，具有隨距帶隙邊緣的距離而減小的狀態(tài)密度。 連續(xù)區(qū)的存在意味著逸出隧穿勢(shì)壘上面的點(diǎn)的載流子可以退出該點(diǎn)， 進(jìn)入允許的能態(tài)，這種情況在決定載流子將怎樣迅速地朝向帶隙下降 時(shí)考慮。對(duì)于帶連續(xù)區(qū)中的典型狀態(tài)密度，過剩能量(AEi， AE2)的 去激發(fā)損失仍然可能在自由電子被相鄰點(diǎn)俘獲之前發(fā)生(即，進(jìn)入隧 穿勢(shì)壘140上面的，而不是穿過隧穿勢(shì)壘140的相鄰點(diǎn))。
對(duì)于沒有勢(shì)壘層的無機(jī)基質(zhì)中的無機(jī)點(diǎn)(例如，圖2和3)，該點(diǎn) 上面的帶連續(xù)區(qū)270， 260基本上分別從Ec，buik和Ev,bu,k開始。比較起 來，勢(shì)壘140的存在可以推動(dòng)連續(xù)區(qū)270直接高于在圖9A和9B中的 點(diǎn)，以及可以推動(dòng)連續(xù)區(qū)260直接在在圖IIA和11B中的點(diǎn)的下面。
圖13是如果使用Stranski-Krastanow方法產(chǎn)生，并被改進(jìn)以包括 隧穿勢(shì)壘140的基于圖1中的器件的量子點(diǎn)陣列的截面圖。在淀積浸 潤層132之前，生長(zhǎng)薄(例如，至少一個(gè)單層；例如，0.1至10nm) 勢(shì)壘層141 (例如，MBE， MOCVD)。然后，在生長(zhǎng)量子點(diǎn)130之后， 生長(zhǎng)另一勢(shì)壘層141，由此封裝每個(gè)點(diǎn)。
優(yōu)選地，勢(shì)壘層140、 141與塊狀基質(zhì)材料120， 121晶格-匹配。 應(yīng)變中的錯(cuò)配增加缺陷的可能性。例如，如果在形成點(diǎn)的自發(fā)成核過 程中，在和單層同樣小的位置中薄勢(shì)壘層的厚度改變(產(chǎn)生變化)，
那么錯(cuò)配可能導(dǎo)致勢(shì)壘層內(nèi)的不一致晶格間距。由此，勢(shì)壘與塊狀基
質(zhì)的晶格匹配最小化連續(xù)量子點(diǎn)層和相鄰點(diǎn)之間的不均一。
圖8-13描述的器件可以使用幾種不同的材料類型組合來實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于任意的無機(jī)量子點(diǎn)130、 131和無機(jī)塊狀基質(zhì)材料120、 121， 無機(jī)半導(dǎo)體材料的示例包括m-V化合物半導(dǎo)體，如AlAs、 AlSb、 A1P、 A1N、 GaAs、 GaSb、 Gap、 GaN、 InAs、 InSb、 InP禾卩InN; II-VI化合 物半導(dǎo)體，如CdS、 CdSe、 CdTe、 ZnO、 ZnS、 ZnSe禾Q ZnTe;其它的 化合物半導(dǎo)體，如PbS、 PbSe、 PbTe和SiC;以及這些化合物半導(dǎo)體 的三元和四元合金。
對(duì)于任意的無機(jī)隧穿勢(shì)壘140、 141，材料的示例包括前述的無機(jī) 半導(dǎo)體材料以及絕緣體，如氧化物、氮化物或氮氧化物。如何選擇具 有適當(dāng)?shù)南鄬?duì)能量的材料和如何選擇晶格匹配的材料是已知技術(shù)，不 在這里解決。
圖14-17進(jìn)一步表示量子機(jī)械隧穿的原理。下面的說明和公式基 于"Complete Guide to Semiconductor Devices," 2d ed., by Kwok K. Ng, Appendix B8， Tu畫ling， 625-627， Wiley-Interscience (2002)。該說明
和公式已經(jīng)改進(jìn)，其中，除電子之外包含空穴。此外，盡管量子點(diǎn)材 料和勢(shì)壘材料中的載流子的有效質(zhì)量通常不顯著地改變，但是將該公 式修改為使用為變化而調(diào)整的折合(reduced)有效質(zhì)量。通常，不考 慮是否使用有機(jī)和/或無機(jī)材料來建立光敏器件，如果載流子相對(duì)于勢(shì)
壘高度的能級(jí)E是巳知的，那么決定載流子的隧穿概率r,需要三個(gè)參
數(shù)隧穿勢(shì)壘的峰值和載流子的能量之間差值的絕對(duì)值(())b)、載流子的 能級(jí)處的勢(shì)壘厚度(Ax)以及勢(shì)壘的電位分布U(x)。勢(shì)壘的電位分布 U(x)有時(shí)被稱為勢(shì)壘的"形狀"。在圖14中示出了通過矩形勢(shì)壘的電 子隧穿的示例。
作為巳知技術(shù)，為了計(jì)算電子的隧穿概率r,，必須由Schr6dinger
公式?jīng)Q定波函數(shù)
,卜o
(iv 方
<是載流子(在此情況下，電子)的折合有效質(zhì):
朗克常數(shù)，以及q是電子電荷。
，A是約化普
電荷載流子的折合有效質(zhì)量是:
11 1
一 =--1--
附/" 附6acri4T
其中，m;是量子點(diǎn)中的電荷載流子的有效質(zhì): 壘材料中的電荷載流子的有效質(zhì)量。
(2)
，以及《_是勢(shì)
由于勢(shì)壘的電位分布U(x)沒有迅速地改變，使用 Wentzel-Kramers-Brillouin近似法，可以簡(jiǎn)化公式(1)，以及綜合決定
波函數(shù)
02)
平")
exp<| _〖^j^^[C/(x) _ ￡]血J
(3)
由于電子的存在概率與波函數(shù)量值的平方成比例，通過下式給出
隧穿概率rf:
(4)
對(duì)于圖14所示的矩形勢(shì)壘的情況，由下面的公式給出隧穿概率的 求解公式(4):
7X2、!^^ (5)
通過采用())b的絕對(duì)值，公式(5)也應(yīng)用于空穴隧穿，如圖15所 示(除圖14中所示的電子隧穿之外)，然后重新設(shè)置該公式，以求出 載流子的能級(jí)處勢(shì)壘的厚度(Ax)，給出<formula>formula see original document page 22</formula>其中， <是電荷載流子(電子或空穴)的折合有效質(zhì):
(6)
從觀察點(diǎn)設(shè)計(jì)，優(yōu)選基于隧穿勢(shì)壘的基部處的能級(jí)，選擇勢(shì)壘的
厚度Ax。如果塊狀基質(zhì)是具有導(dǎo)帶連續(xù)區(qū)270和價(jià)帶連續(xù)區(qū)260的無 機(jī)材料，那么狀態(tài)密度通常暗示在勢(shì)壘基部具有能級(jí)的電荷載流子將 是主要的載流子能量。
如果電荷載流子的能量E等于隧穿勢(shì)壘基部的能級(jí)，那么I(W等于 勢(shì)壘高度的絕對(duì)值，是隧穿勢(shì)壘的峰值和基部處的能級(jí)之間的差值。 這些能級(jí)是用于塊狀基質(zhì)材料120和勢(shì)壘材料140的材料的物理特性。 例如，在圖14中，勢(shì)壘高度等于勢(shì)壘材料的Ec,b"^減去塊狀基質(zhì)材 料的Ec,bulk;在圖15中，勢(shì)壘高度等于勢(shì)壘材料的Ev,ba,減去塊狀基 質(zhì)材料的Ev，bulk。勢(shì)壘材料《*中和量子點(diǎn)材料《D中的電荷載流子的 有效質(zhì)量也是各種材料的物理特性。此外，隧穿勢(shì)壘基部的厚度Ax等 于隧穿勢(shì)壘層140、 141的物理厚度。
例如，如果電子是隧穿電荷載流子和近似E作為勢(shì)壘基部的能級(jí)，
那么公式(6)可以表示為
<formula>formula see original document page 22</formula>
(6a)
類似地，如果穿過無機(jī)勢(shì)壘的空穴隧穿和近似E作為勢(shì)壘基部的
能級(jí)，那么公式(6)可以表示為
<formula>formula see original document page 22</formula> (6b)
因此，如果該材料是巳知的，那么對(duì)于任意隧穿概率r,，可以確
定勢(shì)壘層140的優(yōu)選厚度Ax。
在隧穿勢(shì)壘140的邊界不存在顯著的擴(kuò)散或其它材料混合，隧穿 勢(shì)壘的電勢(shì)分布U(X)通?？梢越茷榫匦?。此外，對(duì)于材料的任意組 合，根據(jù)公式(7)，勢(shì)壘層需要的厚度與隧穿概率的自然對(duì)數(shù)的負(fù)數(shù) 成正比
<formula>formula see original document page 23</formula> (7)
對(duì)于任意函數(shù)U(x)，可以導(dǎo)出計(jì)算勢(shì)壘厚度的公式。不考慮隧穿
勢(shì)壘的電勢(shì)分布U(x)，公式(7)適用。例如，圖16示出了三角形勢(shì) 壘以及圖17示出了拋物線勢(shì)壘。
在圖16中，可以將電位描述為
<formula>formula see original document page 23</formula>(8)
利用公式(8)求解公式(4)，通過式(9)得出隧穿概率
<formula>formula see original document page 23</formula>(9)
公式(9)通過對(duì)(j)b取絕對(duì)值也應(yīng)用于空穴隧穿，然后重新設(shè)置該 公式，以求出載流子的能級(jí)處的勢(shì)壘厚度(Ax):
<formula>formula see original document page 23</formula>(10)
在圖17中，可以將電位描述為 ,4x2、
<formula>formula see original document page 23</formula>(11)
利用公式(10)求解公式(4)，通過式(12)得出隧穿概率:
<formula>formula see original document page 23</formula>(12)
通過對(duì)(l)b取絕對(duì)值，公式(12)也應(yīng)用于空穴隧穿，然后重新設(shè) 置該公式，以求出載流子的能級(jí)處勢(shì)壘的厚度(AX):
因此，在不考慮隧穿勢(shì)壘的電勢(shì)分布U(X)的條件下，公式(7) 適用。
勢(shì)壘140的隧穿概率優(yōu)選在0.1和0.9.之間。對(duì)于任意設(shè)計(jì)，通過
測(cè)量光電流輸出，可以試驗(yàn)性地確定更精確的概率r,，由此確定獲得
的效率。r,的更優(yōu)選的范圍在0.2和0.5之間。
對(duì)于任意給定的隧穿概率r,，在勢(shì)壘高度和勢(shì)壘厚度之間有撞擊 平衡。看起來，通過減小能量損失以去激發(fā)在勢(shì)壘上面的點(diǎn)跳出的而 不是隧穿的載流子，使得勢(shì)壘降低，將增加效率。但是，這引入其它 的低效率，由于對(duì)于相同的隧穿概率r,，勢(shì)壘層將需要變厚，減小專 用于產(chǎn)生光電流的器件的容量-百分率。即使該勢(shì)壘由光導(dǎo)電材料構(gòu)成， 它們未被預(yù)計(jì)將對(duì)光電流產(chǎn)生(由于它們的相對(duì)大的帶隙)由顯著貢 獻(xiàn)。最終結(jié)果是較厚的勢(shì)壘占據(jù)將另外由光導(dǎo)材料構(gòu)成的空間，降低 光電流產(chǎn)生和效率。由此，隧穿勢(shì)壘的優(yōu)選厚度極限在o.i至io納米 之間。在o.i至io納米的范圍內(nèi)，隧穿勢(shì)壘的厚度優(yōu)選不超過穿過量 子點(diǎn)中心的量子點(diǎn)的平均截面厚度的10%。
是否使用空穴或電子作為隧穿電荷載流子，通常優(yōu)選，帶隙的相
對(duì)側(cè)的能級(jí)不產(chǎn)生用于相反載流子的陷阱。例如，參考圖9A和9B，
勢(shì)壘層140的Ev,barrier優(yōu)選在塊狀基質(zhì)120的EV，bulk的±5的范圍內(nèi)。
該一般的土5/tr差值也優(yōu)選在圖IIA和11B中的量子點(diǎn)的導(dǎo)帶側(cè)上的 Eo^和Ec，buik之間?？梢赃x擇量子點(diǎn)材料來最小化相反載流子的電 位"陷阱"的深度。此外，帶隙的相對(duì)側(cè)的電位"陷阱"內(nèi)的能態(tài)優(yōu) 選地定位為以保持陷阱內(nèi)的最外量子態(tài)在相鄰勢(shì)壘層140的能級(jí)的
±5&r的范圍內(nèi)， 一定程度上改進(jìn)了經(jīng)過的電子或空穴將不被去激發(fā)地 經(jīng)過的概率。
量子點(diǎn)內(nèi)的圖中所示的能級(jí)數(shù)目?jī)H是示例。在隧穿側(cè)上，盡管優(yōu) 選至少兩個(gè)量子態(tài)(一個(gè)形成中能帶和一個(gè)被定位重疊相鄰塊狀基質(zhì) 材料的能級(jí))，但是可以僅是提供中能帶的單個(gè)量子態(tài)。同樣，盡管 優(yōu)選通過最靠近帶隙的量子態(tài)形成中能帶，但是可以使用更高級(jí)的能 態(tài)。只要相鄰點(diǎn)之間的波函數(shù)重疊，至于量子態(tài)是否可以用作中能帶
的決定性因素，是通過El和EH運(yùn)送載流子需要的兩個(gè)波長(zhǎng)是否將入射
在該點(diǎn)上。
實(shí)際上，如果運(yùn)送載流子通過該頻帶需要的兩個(gè)波長(zhǎng)永不入射在
量子點(diǎn)上，那么該頻帶不能用作中能帶。例如，如果運(yùn)送E^或EH需要 的一個(gè)波長(zhǎng)被塊狀基質(zhì)材料、阻擋材料等吸收，那么即使波長(zhǎng)入射在 光敏器件本身，它將不會(huì)入射在量子點(diǎn)上。對(duì)于許多材料，相同的問
題限制通過兩個(gè)量子態(tài)(例如，從價(jià)帶運(yùn)送到E^態(tài)，然后運(yùn)送到Ee，2
態(tài)，然后進(jìn)入導(dǎo)帶)運(yùn)送中能帶的實(shí)用性。在任何情況下，隧穿勢(shì)壘
140和塊狀基質(zhì)材料120需要對(duì)具有能量El和Eh的光子基本上透明。 選擇材料中的平衡的另一考慮是，對(duì)直接橫穿塊狀基質(zhì)120和在點(diǎn)130 本身中的塊狀基質(zhì)帶隙EC (不經(jīng)過中能帶)的遷移載流子的光電流的 效率和貢獻(xiàn)。
如上所述，本發(fā)明的有機(jī)光敏器件可以用來從入射電磁輻射(例 如，光生伏打器件)產(chǎn)生電能。該器件可以用來探測(cè)入射電磁輻射(例 如，光探測(cè)器或光導(dǎo)單元)。如果用作光導(dǎo)單元，那么可以省略過渡 層115和150。
在此示出和/或描述了本發(fā)明的具體例子。但是，應(yīng)當(dāng)理解在不脫 離本發(fā)明的精神和范圍條件下，上述啟示覆蓋對(duì)本發(fā)明的改進(jìn)和改變， 且落在附屬權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種器件，包括多個(gè)量子點(diǎn)，包括第一無機(jī)材料，每個(gè)量子點(diǎn)由第二無機(jī)材料覆蓋，所述被覆蓋的量子點(diǎn)被嵌入在第三無機(jī)材料的基質(zhì)中，至少所述第一和第三材料是光導(dǎo)半導(dǎo)體，第二材料，設(shè)置為隧穿勢(shì)壘，以要求所述第三材料中的導(dǎo)帶邊緣處的電子執(zhí)行量子機(jī)械隧穿，從而到達(dá)各個(gè)被覆蓋的量子點(diǎn)內(nèi)的第一材料，以及第一量子態(tài)，位于每個(gè)量子點(diǎn)中的帶隙上面，所述每個(gè)量子點(diǎn)處于其中嵌入所述被覆蓋的量子點(diǎn)的第三材料的導(dǎo)帶邊緣和價(jià)帶邊緣之間，其中所述多個(gè)量子點(diǎn)的第一量子態(tài)的波函數(shù)重疊作為中能帶。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的器件，所述量子點(diǎn)還包括第二量子態(tài)， 其中，所述第二量子態(tài)在所述第一量子態(tài)上面，并在所述第三材料的導(dǎo)帶邊緣的士0.16eV的范圍內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的器件，所述隧穿勢(shì)壘的高度是所述第三 材料的導(dǎo)帶邊緣和隧穿勢(shì)壘的峰值之間的能級(jí)差值的絕對(duì)值，其中，所述隧穿勢(shì)壘的高度和電位分布以及覆蓋每個(gè)量子點(diǎn)的所 述第二材料的厚度的組合對(duì)應(yīng)于電子將從第三材料隧穿到各個(gè)被覆蓋 的量子點(diǎn)內(nèi)的第一材料中的在0.1和0.9之間的隧穿概率。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的器件，其中，對(duì)于每個(gè)量子點(diǎn)，所述第 二材料的覆蓋厚度處于O.l至IO納米的范圍內(nèi)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的器件，其中，所述隧穿勢(shì)壘的高度和電 位分布以及覆蓋每個(gè)量子點(diǎn)的所述第二材料的厚度的組合對(duì)應(yīng)于電子 將從第三材料隧穿到各個(gè)被覆蓋的量子點(diǎn)內(nèi)的第一材料中的在0.2和 0.5之間的隧穿概率。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的器件，其中，對(duì)于每個(gè)量子點(diǎn)，所述第二材料的覆蓋厚度處于0.1至10納米的范圍內(nèi)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的器件，其中，所述第二材料晶格匹配所 述第三材料。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，還包括處于層疊關(guān)系的無機(jī)p-型 層和無機(jī)n-型層，將所述第三材料中嵌入的所述被覆蓋的量子點(diǎn)設(shè)置 在p-型層和n-型層之間，其中，所述p-型層的導(dǎo)帶邊緣高于所述隧穿 勢(shì)壘的峰值。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的器件，其中，對(duì)于每個(gè)量子點(diǎn)，所述第 二材料的覆蓋厚度在0.1至IO納米的范圍內(nèi)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的器件，其中，對(duì)于每個(gè)量子點(diǎn)，所述 第二材料的覆蓋厚度等于不超過穿過各個(gè)量子點(diǎn)中心的所述第一材料 的平均截面厚度的10%。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的器件，其中，光敏器件是太陽能電池。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述第一無機(jī)材料和所 述第三無機(jī)材料每個(gè)都選自由III-V化合物半導(dǎo)體、II-VI化合物半導(dǎo) 體、PbS、 PbSe、 PbTe、 SiC及其三元和四元合金構(gòu)成的組。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的器件，其中，所述第二無機(jī)材料是選 自由III-V化合物半導(dǎo)體、II-VI化合物半導(dǎo)體、PbS、 PbSe、 PbTe、 SiC及其三元和四元合金構(gòu)成的組的半導(dǎo)體。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的器件，其中，所述第二無機(jī)材料是選 自由氧化物、氮化物和氮氧化物構(gòu)成的組的電絕緣體。.
15. —種器件，包括多個(gè)量子點(diǎn)，包括第一無機(jī)材料，每個(gè)量子點(diǎn)由第二無機(jī)材料覆 蓋，所述被覆蓋的量子點(diǎn)被嵌入在第三無機(jī)材料的基質(zhì)中，至少所述 第一和第三材料是光導(dǎo)半導(dǎo)體，將所述第二材料設(shè)置為隧穿勢(shì)壘，以要求所述第三材料中的價(jià)帶 邊緣處的空穴執(zhí)行量子機(jī)械隧穿，從而到達(dá)各個(gè)被覆蓋的量子點(diǎn)內(nèi)的 所述第一材料，以及第一量子態(tài)，位于每個(gè)量子點(diǎn)中的帶隙下面，所述每個(gè)量子點(diǎn)處 于在其中嵌入覆蓋量子點(diǎn)的所述第三材料的導(dǎo)帶邊緣和價(jià)帶邊緣之 間，所述多個(gè)量子點(diǎn)的第一量子態(tài)的波函數(shù)重疊作為中能帶。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的器件，所述量子點(diǎn)還包括第二量子態(tài)， 其中，所述第二量子態(tài)在所述第一量子態(tài)下面，且在所述第三材料的價(jià)帶邊緣的士0.16eV內(nèi)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的器件，所述隧穿勢(shì)壘的高度是所述第 三材料的價(jià)帶邊緣和隧穿勢(shì)壘的峰值之間的能級(jí)差值的絕對(duì)值，其中，所述隧穿勢(shì)壘的高度和電位分布以及覆蓋每個(gè)量子點(diǎn)的所 述第二材料厚度的組合對(duì)應(yīng)于空穴將從第三材料隧穿到各個(gè)被覆蓋的 量子點(diǎn)內(nèi)的第一材料中的在0.1和0.9之間的隧穿概率。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的器件，其中，對(duì)于每個(gè)量子點(diǎn)，所述 第二材料的覆蓋厚度處于O.l至IO納米的范圍內(nèi)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的器件，其中，所述隧穿勢(shì)壘的高度和 電位分布以及覆蓋每個(gè)量子點(diǎn)的所述第二材料的厚度的組合對(duì)應(yīng)于空 穴將從第三材料隧穿到各個(gè)被覆蓋的量子點(diǎn)內(nèi)的第一材料中的在0.2 和0.5之間的隧穿概率。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的器件，其中，對(duì)于每個(gè)量子點(diǎn)，所述 第二材料的覆蓋厚度處于O.l至IO納米的范圍內(nèi)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的器件，其中，所述第二材料晶格匹配 所述第三材料。
22. 根據(jù)權(quán)利要求15的所述器件，還包括處于層疊關(guān)系的無機(jī)p-型層和無機(jī)n-型層，將所述第三材料中嵌入的被覆蓋的量子點(diǎn)設(shè)置在 p-型層和n-型層之間，其中，所述n-型層的價(jià)帶邊緣低于所述隧穿勢(shì) 壘的峰值。
23. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的器件，其中，對(duì)于每個(gè)量子點(diǎn)，所述 第二材料的覆蓋厚度在O.l至IO納米的范圍內(nèi)。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的器件，其中，對(duì)于每個(gè)量子點(diǎn)，所述 第二材料的覆蓋厚度等于不超過穿過各個(gè)量子點(diǎn)中心的所述第一材料 的平均截面厚度的10%。
25. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的器件，其中，光敏器件是太陽能電池。
26. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的器件，其中，所述第一無機(jī)材料和所 述第三無機(jī)材料每個(gè)都選自由III-V化合物半導(dǎo)體、II-VI化合物半導(dǎo) 體、PbS、 PbSe、 PbTe、 SiC及其三元和四元合金構(gòu)成的組。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的器件，其中，所述第二無機(jī)材料是選 自由III-V化合物半導(dǎo)體、II-VI化合物半導(dǎo)體、PbS、 PbSe、 PbTe、 SiC及其三元和四元合金構(gòu)成的組的半導(dǎo)體。
28. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的器件，其中，所述第二無機(jī)材料是選 自由氧化物、氮化物和氮氧化物構(gòu)成的組的電絕緣體。
全文摘要
多個(gè)量子點(diǎn)包括第一無機(jī)材料，每個(gè)量子點(diǎn)由第二無機(jī)材料覆蓋。所述被覆蓋的量子點(diǎn)處于第三無機(jī)材料的基質(zhì)中。至少所述第一和第三材料是光導(dǎo)半導(dǎo)體。將所述第二材料設(shè)置為隧穿勢(shì)壘，以要求所述第三材料中的隧穿勢(shì)壘基部處的電荷載流子(電子或空穴)執(zhí)行量子機(jī)械隧穿，從而到達(dá)各個(gè)覆蓋量子點(diǎn)內(nèi)的所述第一材料。每個(gè)量子點(diǎn)中的第一量子態(tài)位于在其中嵌入覆蓋量子點(diǎn)的所述第三材料的導(dǎo)帶邊緣和價(jià)帶邊緣之間。所述多個(gè)量子點(diǎn)的第一量子態(tài)的波函數(shù)可以重疊形成中能帶。
文檔編號(hào)H01L31/0352GK101375407SQ200680052816
公開日2009年2月25日 申請(qǐng)日期2006年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月16日
發(fā)明者史蒂芬·R·福里斯特 申請(qǐng)人:普林斯頓大學(xué)理事會(huì)