[發明專利]一種以Bi2Se3薄膜為接觸層的硅肖特基結及制備方法

有效

• 申請號: 201310335909.8
• 申請日: 2013-08-05
• 公開（公告）號: CN103390640A
• 公開（公告）日: 2013-11-13
• 發明（設計）人: 李含冬;高磊;李輝;王高云;羅思源;任武洋;艾遠飛;巫江;周志華;王志明
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L29/47
• 分類號: H01L29/47;H01L21/28;H01L31/0224
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 謝敏

技術領域

本發明涉及將拓撲絕緣體硒化鉍（Bi₂Se₃）與硅（Si）進行材料級集成的自旋或者光伏器件應用領域，尤其是一種采用物理汽相沉積技術在氫原子鈍化后的Si(111)-1×1表面制備單晶結構Bi₂Se₃拓撲絕緣體薄膜接觸層以形成肖特基結的方法。?

背景技術

硅是公知最具商業價值的微電子與光伏材料。Si基肖特基二極管是多數載流子器件，結電容很小，工作速度快，在高速集成電路和光伏領域均得到了廣泛的應用。然而目前常規的金屬（金屬硅化物）/Si肖特基結器件已經發展得很成熟，因此尋找具有更優越以及更新穎物理性質的電極材料來拓展Si基肖特基結器件的應用廣度將具有重大的科學和商業價值。?

而鉍基氧族層狀化合物（Bi₂Se₃、Bi₂Te₃等）一直以來都是應用最廣泛的熱電材料，最近又被發現是優異的拓撲絕緣體。它們是少見的能在熱-電能源轉換、自旋電子學以及量子信息等領域都得到應用的多功能材料體系。更具體地，對Bi₂Se₃而言，由于其特征是體能隙中存在無帶隙且自旋極化的表面能態，因此可以作為往半導體注入自旋的電極材料。同時Bi₂Se₃是鉍基氧族層狀化合物材料中體能帶隙較大的（~0.3電子伏特，遠遠超過室溫熱振子能量），作為拓撲絕緣體而言，它是有可能實現室溫應用的。另外，新近發現Bi₂Se₃單晶薄膜在可見光至近紅外光波段具有很高的光透過率（參見文獻Nat.?Chem.?4,?281(2012)），這個波段正好能與光伏器件工作波段匹配，加上Bi₂Se₃材料具有很高的載流子遷移率（對于Bi₂Se₃表面能態上的狄拉克費米子而言，有效質量為零，對應遷移率極大）與較低的電阻率（~1mΩ·cm），因此Bi₂Se₃也是很適合用作光伏器件透明電極材料的。?

然而要實現Bi₂Se₃在上述自旋電子學和光伏方面的潛在應用，一方面需要有高質量的Bi₂Se₃單晶薄膜；另一方面Bi₂Se₃需要與適當的半導體進行所謂功能集成，再利用二者界面間形成的異質結實現器件應用目的。在所有可與Bi₂Se₃形成異質結以實現自旋和光伏兩方面應用的半導體材料中，Si憑借其在自旋電子學和光伏應用領域的已證優勢毫無疑問是最具有競爭力的。如果能將拓撲絕緣體薄膜生長在Si上形成理想的肖特基結，自旋極化載流子可以遂穿進入Si并可漂移相當長的距離（參見文獻Nature?447,?295?(2007)）；同時這種肖特基結也可作為構筑表面勢壘型光伏電池的基礎。因此將新穎的拓撲絕緣體集成于Si材料上無疑是和拓展Si基肖特基結器件功能的現實需求相吻合的。?

但目前大部分能在Si上生長出Bi₂Se₃單晶薄膜的工作是利用分子束外延技術進行的，這種技術操作復雜，成本昂貴，樣品產量較低。更為不利的是，為了緩沖Si和Bi₂Se₃之間化學鍵合與晶格常數失配需要引入一定的緩沖層（如文獻New?J.?Phys.?12,?103038?(2010)與Appl.?Phys.?Lett.?98,?043104?(2011)所述），這將有可能使Bi₂Se₃/Si肖特基結特性變差。另外一種已報道的制備肖特基結的方法是直接將Bi₂Se₃單晶薄片機械性粘貼至Si片上（參見文獻Appl.?Phys.?Lett.?101,?023102?(2012)），這種方式雖然簡單，但其顯然不適合于規模化生產，而且異質結界面的質量也不能得到保證。?

發明內容