[發明專利]Ⅳ－Ⅵ族半導體單晶薄膜和其異質結構的制備方法

無效

• 申請號: 200710068039.7
• 申請日: 2007-04-13
• 公開（公告）號: CN101106092A
• 公開（公告）日: 2008-01-16
• 發明（設計）人: 吳惠楨;斯劍霄;徐天寧;夏明龍
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01L21/363
• 分類號: H01L21/363;C30B23/02
• 代理公司: 杭州中成專利事務所有限公司
• 代理人: 盛輝地

技術領域

本發明屬于半導體單晶薄膜的外延制備技術領域，具體涉及一種在室溫環境下于不同襯底材料上生長高質量IV-VI族窄帶隙半導體單晶薄膜的分子束外延生長技術。

背景技術

近年來，由IV-VI族半導體研制的中紅外激光器、中紅外探測器等光電子器件在環境檢測、有毒氣體監控、生物醫學、國防等重要領域具有應用前景，使得IV-VI族半導體材料成為研究熱點。IV-VI族半導體材料是具有直接帶隙，能帶對稱性高、Auger復合速率低等獨特物理性質的窄帶隙半導體材料，而且其具有發光效率高、介電常數大、熱導率低等特點，使其成為重要的中紅外光電材料和典型的熱電材料。應用于城市道路中汽車尾氣、化工廠有毒氣體的實時檢測、半導體制冷等領域。

IV-VI族半導體材料包括二元系的PbSe，PbTe，SnSe，SnTe和三元系的PbSrSe，PbSrTe，PbSnSe，PbSnTe，PbEuSe，PbMnTe及其它們的異質結構等，上海技術物理研究所使用光學薄膜鍍膜機，用熱蒸發方法在2.6×10^-3Pa的環境下在硅襯底上生長了PbTe薄膜，《紅外與毫米波學報》，24(1)，23(2005)。但這種方法無法得到高質量的IV-VI族半導體單晶薄膜，只能得到多晶或非晶薄膜，表面不平整，存在較大的起伏，而且由于成核生長過程中容易在表面出現裂痕，只能用于紅外濾光片，不能應用于高端產品的研制，例如中紅外激光器和探測器等。傳統的熱蒸發的方法還存在不能精確的控制薄膜的厚度，均勻性差，不能生長量子阱和超晶格等問題，使得IV-VI族半導體晶體薄膜的應用受到很大的限制。傳統的分子外延生長方法雖然能生長高質量的IV-VI族半導體單晶薄膜及其異質結構，“Molecular?beam?epitaxygrowth?of?PbSe?on?BaF2-coated?Si(111)and?observation?of?the?PbSe?growth?interface”，J.Vac.Sci.Technol.B，17(3)，1263(1999)，但是均采用在液氮冷卻的低溫環境，需要專門的設備維持低溫，使制造的成本非常昂貴。

“PbSe單晶薄膜的分子束外延及其表面微結構”，《材料研究學報》，20(6)，621(2006)，“Microstructural?properties?of?single?crystalline?PbTe?thin?films?grown?on?BaF2(111)by?molecularbeam?epitaxy”，Chinese?Physics?Letters，22(9)，2353(2005)，公開了在BaF₂(111)單晶、Si(111)單晶上生長CaF₂、BaF₂緩沖層，單晶和MgO(100)，MgO(111)襯底上，成功制得了高質量的IV-VI族窄帶隙半導體單晶薄膜。只是二元系的IV-VI半導多晶和單晶薄膜材料的生長，不能精確控制生長三元系和四元系的IV-VI半導體單晶薄膜材料及其量子阱和超晶格結構。

發明內容

本發明的目的是提供一種能生長高質量IV-IV族半導體單晶薄膜及其異質結構的方法，優化制備工藝。

本發明提供的IV-VI族窄帶隙半導體單晶薄膜及其異質結構的制備方法，是在精確控制的超高真空條件下實現的，從束源爐中蒸發出來的IV-VI族各種原子和分子束與一個清潔并具有很好晶面取向的單晶襯底表面相遇，到達襯底表面的原子和分子經過在襯底表面吸附、遷移和結晶等過程，形成高質量的單晶薄膜。通過精密控制束流流量、襯底溫度等生長條件，使外延的IV-VI族化合物在襯底表面按一個原子層接一個原子層的模式生長，并具有所要求的化學成分，用這種方法能夠生長IV-VI族半導體異質結構，包括異質結，量子阱和超晶格等。

本發明的IV-VI族半導體單晶薄膜和其異質結構的制備方法，是在分子束外延裝置中，采用分子束外延生長方法，在不同生長溫度下，利用不同IV-VI族化合物分子束源，在不同的單晶襯底材料上生長單晶薄膜的方法，所述分子束外延裝置中具有進樣室、準備室、生長室、多個束源爐，具體制備工藝步驟如下：

1)、將單晶襯底裝入進樣室的襯底架，用分子泵抽進樣室真空至≤5×10^-5Pa，在進樣室加熱襯底至150～200℃，除氣30分鐘；