[發明專利]石墨襯底上的Ⅲ-Ⅴ或Ⅱ-Ⅵ化合物半導體膜

在審

• 申請號: 201480046331.7
• 申請日: 2014-06-23
• 公開（公告）號: CN105474360A
• 公開（公告）日: 2016-04-06
• 發明（設計）人: B-O·費姆蘭;D·L·戴斯;H·沃曼
• 申請（專利權）人: 挪威科技大學（NTNU）
• 主分類號: H01L21/20
• 分類號: H01L21/20
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 張全信;趙蓉民

技術領域

本發明涉及用于在石墨襯底上外延生長薄膜的方法。特別地，本發明采用分子束外延技術在石墨襯底上外延生長半導體薄膜。所得的石墨負載的半導體膜形成本發明進一步的方面。膜優選地是半導體材料，并且在例如電子行業或在太陽能電池應用中具有廣泛應用。

背景技術

近年來，隨著納米技術成為重要的工程學科，對半導體的興趣增加。已經發現半導體技術在各種電子設備諸如傳感器、太陽能電池和LED中的重要應用。

許多不同類型的半導體是已知的，一些是膜形式。通常，半導體膜生長在與半導體本身相同的襯底上(同質外延生長)。因而，GaAs生長在GaAs上，Si生長在Si上，等等。當然，這確保襯底的晶體結構和生長的半導體的晶體結構之間存在晶格匹配。襯底和半導體二者可以具有相同的晶體結構。

然而，使用相同的材料作為襯底也是高度局限性的。而且，必要的襯底材料可能是昂貴的。也正常的是，需要切割襯底以暴露襯底的晶體結構內的特定平面諸如(001)平面或(111)平面。這可能是困難的并且增加了襯底的成本。

然而，隨著三元半導體的引入，通過調節三元、四元等半導體的組成，可以實現二元襯底諸如GaAs、GaSb和InP上的晶格匹配。因此，這表示作為襯底和生長膜的異質外延生長是不同的。

假同晶外延層的生長也是已知的。在假同晶外延層中，由于外延層和襯底之間的晶格失配(1％的數量級)，外延層中存在小應變(1％的數量級)。假同晶外延層僅可以無缺陷地生長到一定厚度，被稱為“臨界厚度”，在該厚度以上假同晶外延層開始“松弛”。在松弛期間，位錯被引入外延層中以便減小層中的應變能。這些富位錯層具有有限的作為半導體的興趣。

補償外延層中的應變的一種方法已經是生長“應變層超晶格”。這些應變層超晶格包括兩種或多種材料的交替外延層，這些材料具有補償彼此應變的不同的平衡晶格常數。因而，可以生長具有交替壓縮和拉伸應變的層。在某些情況下，因為超晶格的平均晶格常數作為整體可以被修整為匹配襯底的晶格常數，這些應變層超晶格可以生長得非常厚。

然而，用于異質外延生長的必要的襯底材料可能是不容易獲得的并且再一次地它們可能是昂貴的。

本發明人因此尋求在其上生長半導體薄膜的其它襯底材料，特別地，在工業規模上經濟上可行的便宜襯底。本發明人尋求使用石墨襯底承載半導體薄膜，特別地石墨烯。

完美的石墨烯是緊密堆積為蜂窩狀晶格的sp²-鍵合碳原子的一個原子厚度的平面片。石墨的晶體或“薄片”形式由許多堆積在一起的石墨烯片組成。由于其有利的性能，最近石墨烯吸引了許多關注。它是輕的、透明的并且又是非常堅硬且導電的。其作為用于半導體薄膜的載體的用途將因此是非常有吸引力的。

Jiang等在2012年2月10日的PhysicalReviewLetters中，教導了在石墨烯上的Sb₂Te₃薄膜。這些膜通過分子束外延生長并且由于膜內的內在缺陷或來自從石墨烯襯底繼承的摻雜物的內在缺陷，這些膜是半導體。

然而，本發明人尋求形成與Sb₂Te₃完全不同結構的(III)/(V)或(II)/(VI)族半導體。Sb₂Te₃沒有孤對電子，因此沒有中間層粘附力。因此，像石墨一樣，它是片狀的并且僅用非常弱的范德華力保持晶體結構的一層至下一層。它是“二維的”材料。承載Sb₂Te₃的薄膜對沉積本發明的半導體的薄膜提出了非常不同的挑戰，本發明的半導體薄膜具有可用于中間層鍵合并且用于與襯底相互作用的孤對電子。因此本發明的半導體是“三維的”。

本發明涉及“三維”材料，因為本發明的半導體具有游離的孤對電子和原子間鍵合。當在襯底上生長“三維”晶體膜時，必要的是，在襯底和半導體之間存在晶格匹配以便形成適合于應用的高結構化、電子和光學質量的單晶體膜。如果沒有這種晶格匹配，不會形成有用的膜。對于本發明，因此晶格匹配是重要的，而對于Sb₂Te₃，它是無關緊要的。

既然與典型的半導體像硅和GaAs相比石墨襯底在表面上不具有孤對電子并且具有非常短的原子鍵長，沒有理由預期膜在其上成核并外延生長。如以下所令人驚訝地指出的，本發明人已經意識到，依賴于如何將半導體原子放置在石墨烯的表面上，石墨襯底和一些半導體之間可能存在極好的晶格匹配。可選地，合適的(II)、(III)、(V)或(VI)族元素和石墨襯底之間可能存在緊密的晶格匹配。