[发明专利]一种GeBi合金薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于薄膜材料技术领域，特别涉及一种高电导率的GeBi合金薄膜及其制备方法，该薄膜可广泛应用于红外光电探测器。

背景技术

光电探测器是利用半导体材料的光电导效应制成的一种探测器，而光电导效应是指辐照引起被照射材料电导率变化的一种物理现象。一般来说，凡是禁带宽度或杂质离化能适合的半导体都具有光电效应，都可应用于光电探测器。但是在实际应用过程中，还需要综合考虑材料的性能、制备工艺、价格等因素。目前，应用较多的光电探测器材料主要有GeSi、GeSn等。

在光通信领域中，密集波分复用技术所利用的激光的光波长已经从C波段(1.53-1.56μm)扩展到了L波段(1.56-1.62μm)，这不仅要求光电探测器的波长范围覆盖C波段和L波段，且需要光电探测器的响应截止波长高于2μm。目前，实现波长范围在2-10μm的中远红外光电探测器，并解决其原位可控掺杂是当今国际上关注的热点。早在1984年，贝尔电话实验室(Jay Mathews,Radek Roucka,Junqixe,Shui qing Yu,Jose Menendoz and J.Kouvetakis,Extended performance GeSn/Si(100)p-i-n phototector for full spectral rany telecommunication application,APL.95(2009)133506)采用MBE(分子束外延)法制备得到GeSi薄膜PIN器件，但是该器件的工作波长仅为1.45μm，波长没有达到C或者L波段。2010年，德国斯图加特大学J.Werner等(J.Werner,M.oehme,M.schmind,Mkaschel,Schirmer,E.Kasper and J.Schulze,GeSn P-i-n phototector integrated on sillcon grown by molecular beam epitaxy,98(2011)061108)采用MBE技术在非常低的衬底温度下外延生长出Sn含量为0.5％～3％的GeSn薄膜，并制备出工作波长范围为1.2～1.6μm的PIN红外探测器。2011年，中国科学院半导体研究所王启明院士等(Shao Jian,Buwen cheng,Chunlai Xue,Qiming wang,GeSn p-i-n phototector for all telecommunication banda detection,Optical Express,19(2011)6400-6405)采用MBE技术在Si衬底上生长出较厚的Ge缓冲层，然后通过光刻技术形成了PIN探测器，该探测器的工作波长范围是1.3～1.6μm。2015年，S.Wirths等(S.Wirths,R.Geiger,N.von den Driesch,G.Mussler,T.Stoica,S.Mantl,Z.Ikonic,M.Luysberg,S.Chiussi,J.M.Hartmann,H.Sigg,J.Faist,D.Buca1and D.Grützmacher,“Lasing in direct-bandgap GeSn alloy grown on Si”,Nature Photon.9,88–92(2015))在Si基片上成功生长出直接带隙GeSn薄膜，并首次实现波长约为1.5μm左右的GeSn薄膜探测器。

然而，上述半导体GeSi、GeSn光电探测器的截止波长仍然未突破2.0μm，应用波长也未完全覆盖C波段和L波段。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的GeBi合金薄膜及其制备方法，该薄膜的应用波长范围可完全覆盖C波段和L波段，且截止波长超过2.3μm，可广泛应用于红外光电探测器。

本发明的技术方案如下：

一种GeBi合金薄膜，包括P型硅衬底，以及采用MBE(分子束外延)方法形成于P型硅衬底之上的GeBi合金薄膜。

进一步地，所述GeBi合金薄膜的厚度为150～660nm。

进一步地，所述P型硅衬底为硼掺杂的P型Si(100)基片，其电阻率为1*10^-5～2*10^-4Ω·cm，对应的载流子浓度高达1*10²⁰～1*10²¹，电导率接近金属。