[发明专利]一种在硅衬底上生长硒化铋单晶薄膜的方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料领域，涉及一种在硅衬底上生长硒化铋单晶薄膜的方法及装置。

背景技术

Bi₂Se₃是新近揭示出的一类强拓扑绝缘体材料（拓扑绝缘体是一种内部绝缘，界面允许电荷移动的材料），它的无带隙表面能带色散关系呈现为单一狄拉克圆锥型，同时体能带隙高达0.3电子伏特，远远超过室温热振子能量。单一狄拉克圆锥表面能带使得Bi₂Se₃成为研究狄拉克费米子相关量子现象最理想的体系，同时较大的体能带隙则使得Bi₂Se₃具备了在室温条件下应用的潜力。因此Bi₂Se₃是目前为止发现的最具科研价值以及实际应用潜力的拓扑绝缘体材料之一。而就科研以及器件应用目标而言，薄膜形态的Bi₂Se₃拓扑绝缘体材料是必须的，制备薄膜形态Bi₂Se₃的相关技术手段应该能构满足以下基本要求（以下简称指标项）：

指标项1.生长出的Bi₂Se₃薄膜结晶质量要高，最好能够实现生长单晶薄膜。

指标项2.薄膜的生长速率可控，厚度均匀且可控。为进一步提高器件宏观光、电性能的均匀性，要求薄膜厚度在整个样品表面积范围内不均匀度<±10nm。

指标项3.薄膜的电学质量可控，所用技术手段能够兼容掺杂工艺。为实现费米能级调控目的，采用参考文献New. J. Phys. 12, 103038 (2010)中分子束外延（MBE）技术生长的Bi₂Se₃薄膜性能参数为参考，要求本征薄膜载流子浓度指标<1×10¹⁹/cm³，迁移率指标>300cm²/(VS)。

指标项4.能生长表面形貌均匀的薄膜。为与标准微加工工艺匹配，免除平坦化步骤，在满足1、2、3项标准前提下，制备的薄膜样品在1×1??m²范围内均方根粗糙度（RMS）<3nm。

指标项5.能够在最重要的微电子材料，即Si衬底上异质生长Bi₂Se₃材料，以实现所谓功能集成目的。

另外，在满足实现以上基本要求的前提下，从实际应用目的出发，所采用技术手段的操作应该相对容易，使用及维护成本较低，且具有大规模扩展生产潜力。