Si quantum dot (QD) imbedded in a $SiO_2$ matrix is a promising material for the next generation optoelectronic devices, such as solar cells and light emission diodes (LEDs). However, low conductivity of the Si quantum dot layer is a great hindrance for the performance of the Si QD-based optoelectronic devices. The effective doping of the Si QDs by semiconducting elements is one of the most important factors for the improvement of conductivity. High dielectric constant of the matrix material $SiO_2$ is an additional source of the low conductivity. Active doping of B was observed in nanometer silicon layers confined in $SiO_2$ layers by secondary ion mass spectrometry (SIMS) depth profiling analysis and confirmed by Hall effect measurements. The uniformly distributed boron atoms in the B-doped silicon layers of $[SiO_2(8nm)/B-doped\;Si(10nm)]_5$ films turned out to be segregated into the $Si/SiO_2$ interfaces and the Si bulk, forming a distinct bimodal distribution by annealing at high temperature. B atoms in the Si layers were found to preferentially substitute inactive three-fold Si atoms in the grain boundaries and then substitute the four-fold Si atoms to achieve electrically active doping. As a result, active doping of B is initiated at high doping concentrations above $1.1{\times}10^{20}atoms/cm^3$ and high active doping of $3{\times}10^{20}atoms/cm^3$ could be achieved. The active doping in ultra-thin Si layers were implemented to silicon quantum dots (QDs) to realize a Si QD solar cell. A high energy conversion efficiency of 13.4% was realized from a p-type Si QD solar cell with B concentration of $4{\times}1^{20}atoms/cm^3$. We will present the diffusion behaviors of the various dopants in silicon nanostructures and the performance of the Si quantum dot solar cell with the optimized structures.
Effect of high-temperature annealing on morphology of fully coherent self-assembled InAs quantum dots' grown on Si (100) substrates at $450^{\circ}C$ by atmospheric pressure metalorganic chemical vapor deposition(APMOCVD) was investigated by atomic force microscopy(AFM). When the dots were annealed at 500 - 600$^{\circ}C$ for 15 sec - 60 min, there was no appreciable change in the dot density but the heights of the dots increased along with the reduction in the diameters. In segregation from the InAs quantum dots and/or from the 2-dimensional InAs wetting layer which was not transformed into quantum dots looked responsible for this change in the dot size. However the change rates remained almost same regardless of annealing time and temperature, which may indicate that the morphological change due to thermal annealing is done instantly when the dots are exposed to high temperature annealing.
Photon conversion technology for thin film solar cells is reviewed. The high-energy photons which are hardly absorbed in solar cells can be transformed the low energy photon by the photon conversion process such as down conversion or down shift, which can improve the solar cell efficiency over the material limit. CdSe-based quantum dot materials commonly used in LED can be used as the photon conversion layer for Si thin film solar cells. The photon conversion structure of CdSe-based quantum dot for Si thin film solar cells will be presented and the pros and cons for the Si thin film solar cells integrated with the photon conversion layers will be discussed.
Films consisting of a silicon quantum dot superlattice were fabricated by alternating deposition of silicon rich silicon nitride and $Si_3N_4$ layers using an rf magnetron co-sputtering system. In order to use the silicon quantum dot super lattice structure for third generation multi junction solar cell applications, it is important to control the dot size. Moreover, silicon quantum dots have to be in a regularly spaced array in the dielectric matrix material for in order to allow for effective carrier transport. In this study, therefore, we fabricated silicon quantum dot superlattice films under various conditions and investigated crystallization behavior of the silicon quantum dot super lattice structure. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) spectra showed an increased intensity of the $840\;cm^{-1}$ peak with increasing annealing temperature due to the increase in the number of Si-N bonds. A more conspicuous characteristic of this process is the increased intensity of the $1100\;cm^{-1}$ peak. This peak was attributed to annealing induced reordering in the films that led to increased Si-$N_4$ bonding. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis showed that peak position was shifted to higher bonding energy as silicon 2p bonding energy changed. This transition is related to the formation of silicon quantum dots. Transmission electron microscopy (TEM) and electron spin resonance (ESR) analysis also confirmed the formation of silicon quantum dots. This study revealed that post annealing at $1100^{\circ}C$ for at least one hour is necessary to precipitate the silicon quantum dots in the $SiN_x$ matrix.
For the high efficiencies of quantum dot-sensitized solar cells (QDSCs), it is important to control the severe electron recombination at the interface of photoanode/electrolyte. In this work, we optimize the surface passivation process of ZnS/SiO2 double overlayers for the enhanced photovoltaic performances of QDSCs. The overlayers of zinc sulfide (ZnS) and SiO2 are coated on the surface of QD-sensitized photoanode by successive ionic layer adsorption and reaction (SILAR) method, and sol-gel reaction, respectively. In particular, for the sol-gel reaction of SiO2, the influences of temperature of precursor solution are investigated. By application of SiO2 overlayers on the ZnS-coated photoanode, the conversion efficiency of QDSCs is increased from 5.04% to 7.35%. The impedance analysis reveals that the electron recombination at the interface of photoanode/electrolyte is obviously reduced by the SiO2 overlayers.
Fully coherent self-assembled InAs quantum dots(QDs) grown on Si (100) substrates by atmospheric pressure metalorganic chemical vapor deposition(APMOCVD) were grown and the effect of growth conditions such as growth rate and growth time on quantum dots' morphology such as densities and sizes was investigated. InAs QDs of 30 - 80 nm in diameters with densities in the range of (0.6 - 1.7) x $10^{10}\;cm^{-2}$ were achieved on Si substrates and InAs layer was changed from 2 dimensional growth to 3 dimensional one at a nominal thickness less than 0.48 ML. This is attributed to the higher ambient pressure of APMOCVD suppressing of In segregation from the 2 dimensional InAs layer. This In segregation looked to disturb the dot formation especially when the growth rate was low so that the dots became less dense and bigger as the growth rate was lower.
Quantum dot(QD) 메모리용 silicon nano-particle을 corona 방전방법에 의해 상온에서 대량 발생하는 방법을 개발하였다. Silicon QD는 SiH4 가스를 코로나 방전 영역을 통과시켜 발생시켰으며, 코로나 전압은 2.75kV를 사용하였다. SiH4 몰농도 $0.33{\times}10^{-7}\;mol/l$ 일 경우 발생된 QD입자 크기는 약 10nm이며 기하학적 표준편차(geometric standard deviation)는 1.31이었다. 이 조건에서 nonvolatile quantum dot semiconductor memory (NVQDM)를 제작하였으며, 이렇게 제작된 NVQDM flat band voltage는 1.5 volt였다.
본 연구에서는 PVD 공정으로 Si 양자점 형성시 증착조건의 변화가 증착된 양자점 크기와 분포에 미치는 영향을 Monte Carlo법을 응용한 전산모사를 통하여 정량적으로 분석하였다. 전산모사시 PVD 공정에서 일반적으로 제어가 가능한 기판온도, 증착시간, 가스압력과 타겟-기판거리를 공정변수로 선택하였다. 계산 겨로가 증착속도가 0.05 nm/sec이고 기판온도 490${\circ}$, 증착시간 7 sec, 가스압력 3 mTorr, 타겟-기판거리가 8 cm일때 증착 밀도가 $1{\times}10^{12}cm^{-2}$인 Si 양자점 형성이 가능할 것으로 예측되었다.
In this paper, current status of experimental and theoretical work on quantum bits based on the semiconductor quantum dots in the University of Seoul will be presented. A new proposal utilizing the multi-valley quantum state transitions in a Si quantum dot as a possible candidate for a quantum bit with a long decoherence time will be also given. Qubits are the multi-valley symmetric and anti-symmetric orbitals. Evolution of these orbitals is controlled by an external electric field, which turns on and off the inter-valley interactions. Initialization is achieved by turning on the inter-valley Hamiltonian to let the system settle down to the symmetric orbital state. Estimates of the decoherence time is made for the longitudinal acoustic phonon process.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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