[发明专利]Ⅳ－Ⅵ族半导体单晶薄膜和其异质结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体单晶薄膜的外延制备技术领域，具体涉及一种在室温环境下于不同衬底材料上生长高质量IV-VI族窄带隙半导体单晶薄膜的分子束外延生长技术。

背景技术

近年来，由IV-VI族半导体研制的中红外激光器、中红外探测器等光电子器件在环境检测、有毒气体监控、生物医学、国防等重要领域具有应用前景，使得IV-VI族半导体材料成为研究热点。IV-VI族半导体材料是具有直接带隙，能带对称性高、Auger复合速率低等独特物理性质的窄带隙半导体材料，而且其具有发光效率高、介电常数大、热导率低等特点，使其成为重要的中红外光电材料和典型的热电材料。应用于城市道路中汽车尾气、化工厂有毒气体的实时检测、半导体制冷等领域。

IV-VI族半导体材料包括二元系的PbSe，PbTe，SnSe，SnTe和三元系的PbSrSe，PbSrTe，PbSnSe，PbSnTe，PbEuSe，PbMnTe及其它们的异质结构等，上海技术物理研究所使用光学薄膜镀膜机，用热蒸发方法在2.6×10^-3Pa的环境下在硅衬底上生长了PbTe薄膜，《红外与毫米波学报》，24(1)，23(2005)。但这种方法无法得到高质量的IV-VI族半导体单晶薄膜，只能得到多晶或非晶薄膜，表面不平整，存在较大的起伏，而且由于成核生长过程中容易在表面出现裂痕，只能用于红外滤光片，不能应用于高端产品的研制，例如中红外激光器和探测器等。传统的热蒸发的方法还存在不能精确的控制薄膜的厚度，均匀性差，不能生长量子阱和超晶格等问题，使得IV-VI族半导体晶体薄膜的应用受到很大的限制。传统的分子外延生长方法虽然能生长高质量的IV-VI族半导体单晶薄膜及其异质结构，“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却的低温环境，需要专门的设备维持低温，使制造的成本非常昂贵。

“PbSe单晶薄膜的分子束外延及其表面微结构”，《材料研究学报》，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)，公开了在BaF₂(111)单晶、Si(111)单晶上生长CaF₂、BaF₂缓冲层，单晶和MgO(100)，MgO(111)衬底上，成功制得了高质量的IV-VI族窄带隙半导体单晶薄膜。只是二元系的IV-VI半导多晶和单晶薄膜材料的生长，不能精确控制生长三元系和四元系的IV-VI半导体单晶薄膜材料及其量子阱和超晶格结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种能生长高质量IV-IV族半导体单晶薄膜及其异质结构的方法，优化制备工艺。

本发明提供的IV-VI族窄带隙半导体单晶薄膜及其异质结构的制备方法，是在精确控制的超高真空条件下实现的，从束源炉中蒸发出来的IV-VI族各种原子和分子束与一个清洁并具有很好晶面取向的单晶衬底表面相遇，到达衬底表面的原子和分子经过在衬底表面吸附、迁移和结晶等过程，形成高质量的单晶薄膜。通过精密控制束流流量、衬底温度等生长条件，使外延的IV-VI族化合物在衬底表面按一个原子层接一个原子层的模式生长，并具有所要求的化学成分，用这种方法能够生长IV-VI族半导体异质结构，包括异质结，量子阱和超晶格等。

本发明的IV-VI族半导体单晶薄膜和其异质结构的制备方法，是在分子束外延装置中，采用分子束外延生长方法，在不同生长温度下，利用不同IV-VI族化合物分子束源，在不同的单晶衬底材料上生长单晶薄膜的方法，所述分子束外延装置中具有进样室、准备室、生长室、多个束源炉，具体制备工艺步骤如下：

1)、将单晶衬底装入进样室的衬底架，用分子泵抽进样室真空至≤5×10^-5Pa，在进样室加热衬底至150～200℃，除气30分钟；