[发明专利]一种以Bi2Se3薄膜为接触层的硅肖特基结及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及将拓扑绝缘体硒化铋（Bi₂Se₃）与硅（Si）进行材料级集成的自旋或者光伏器件应用领域，尤其是一种采用物理汽相沉积技术在氢原子钝化后的Si(111)-1×1表面制备单晶结构Bi₂Se₃拓扑绝缘体薄膜接触层以形成肖特基结的方法。 

背景技术

硅是公知最具商业价值的微电子与光伏材料。Si基肖特基二极管是多数载流子器件，结电容很小，工作速度快，在高速集成电路和光伏领域均得到了广泛的应用。然而目前常规的金属（金属硅化物）/Si肖特基结器件已经发展得很成熟，因此寻找具有更优越以及更新颖物理性质的电极材料来拓展Si基肖特基结器件的应用广度将具有重大的科学和商业价值。 

而铋基氧族层状化合物（Bi₂Se₃、Bi₂Te₃等）一直以来都是应用最广泛的热电材料，最近又被发现是优异的拓扑绝缘体。它们是少见的能在热-电能源转换、自旋电子学以及量子信息等领域都得到应用的多功能材料体系。更具体地，对Bi₂Se₃而言，由于其特征是体能隙中存在无带隙且自旋极化的表面能态，因此可以作为往半导体注入自旋的电极材料。同时Bi₂Se₃是铋基氧族层状化合物材料中体能带隙较大的（~0.3电子伏特，远远超过室温热振子能量），作为拓扑绝缘体而言，它是有可能实现室温应用的。另外，新近发现Bi₂Se₃单晶薄膜在可见光至近红外光波段具有很高的光透过率（参见文献Nat. Chem. 4, 281(2012)），这个波段正好能与光伏器件工作波段匹配，加上Bi₂Se₃材料具有很高的载流子迁移率（对于Bi₂Se₃表面能态上的狄拉克费米子而言，有效质量为零，对应迁移率极大）与较低的电阻率（~1mΩ·cm），因此Bi₂Se₃也是很适合用作光伏器件透明电极材料的。 

然而要实现Bi₂Se₃在上述自旋电子学和光伏方面的潜在应用，一方面需要有高质量的Bi₂Se₃单晶薄膜；另一方面Bi₂Se₃需要与适当的半导体进行所谓功能集成，再利用二者界面间形成的异质结实现器件应用目的。在所有可与Bi₂Se₃形成异质结以实现自旋和光伏两方面应用的半导体材料中，Si凭借其在自旋电子学和光伏应用领域的已证优势毫无疑问是最具有竞争力的。如果能将拓扑绝缘体薄膜生长在Si上形成理想的肖特基结，自旋极化载流子可以遂穿进入Si并可漂移相当长的距离（参见文献Nature 447, 295 (2007)）；同时这种肖特基结也可作为构筑表面势垒型光伏电池的基础。因此将新颖的拓扑绝缘体集成于Si材料上无疑是和拓展Si基肖特基结器件功能的现实需求相吻合的。 

但目前大部分能在Si上生长出Bi₂Se₃单晶薄膜的工作是利用分子束外延技术进行的，这种技术操作复杂，成本昂贵，样品产量较低。更为不利的是，为了缓冲Si和Bi₂Se₃之间化学键合与晶格常数失配需要引入一定的缓冲层（如文献New J. Phys. 12, 103038 (2010)与Appl. Phys. Lett. 98, 043104 (2011)所述），这将有可能使Bi₂Se₃/Si肖特基结特性变差。另外一种已报道的制备肖特基结的方法是直接将Bi₂Se₃单晶薄片机械性粘贴至Si片上（参见文献Appl. Phys. Lett. 101, 023102 (2012)），这种方式虽然简单，但其显然不适合于规模化生产，而且异质结界面的质量也不能得到保证。 

发明内容