[发明专利]一种制备Ⅳ-Ⅵ族半导体单晶薄膜的生长装置

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料生长设备的技术领域，具体涉及一种在超高真空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及其异质结构的生长装置。

背景技术

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的制备设备技术是获得高质量材料的关键，传统上讲，它们有几种生长方法和装置，如热蒸发技术，液相外延技术、热壁外延技术等，上海技术物理研究所使用光学薄膜镀膜机，包括有生长设备，抽真空系统，加热系统，冷却系统，控制系统和计算机控制系统。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[文献1：李斌等，红外与毫米波学报，2005，Vol.24，No.1，p.23-26]。生长设备只用一个真空室沉积，每生长一个样品需要将真空室暴露于空气中，真空度低。传统的热蒸发的方法还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。热壁外延技术则是热蒸发方法的改进，虽然晶体质量可以有较大改进，但是样品尺寸小。液相外延方法则是热平衡生长方法，虽然能长出小尺寸(1×1cm^-2)单晶薄膜，但是不能生长大尺寸(例如2英寸、3英寸)，而且不能生长量子阱、超晶格等低维结构。传统的分子外延生长方法虽然能生长IV-VI族半导体单晶薄膜及其异质结构[文献2：H.Z.Wu等，J.Vac.Sci.Technol.B，1999，17(3)，p.1263-1266]，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。

现有半导体单晶薄膜的生长装置往往只有一个真空室沉积，一个束源炉，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，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。

发明内容

本发明目的是针对现有的IV-VI族半导体晶体薄膜装置或不适合制备大尺寸、成本高等缺点，提供一种为IV-VI族半导体晶体薄膜生长装置。

本发明的制备IV-VI族半导体晶体薄膜生长装置，包括有生长设备，抽真空系统，加热系统，冷却系统，电源控制系统和计算机控制系统，其特征是：所述的生长设备由进样室，生长准备室，生长室三个真空室依次连接构成，进样室与生长准备室之间及生长准备室与生长室之间由闸板阀隔离，进样室与生长准备室有样品传送杆传送衬底，生长准备室与生长室有样品传送杆传送衬底，生长准备室和生长室有可升降和转动的样品架，生长室样品架下边有2-8只束源炉，由挡板隔离样品架与束源炉。

本发明生长设备的进样室，包括有：由机械泵和复合分子泵组成的抽真空系统；放置衬底的样品架，衬底通过层流净化工作台中装入样品架托上；测量真空度离子规；对衬底加热除气用的碘钨灯；进样室与生长准备室之间相连，由真空闸板阀隔离；进样室样品传送杆，除气后衬底通过进样室样品传输杆传入生长准备室。

本发明生长设备的生长准备室，包括有：可升降和转动的样品架，样品架上有多个样品托，可存储、处理多个样品；石墨加热炉；溅射离子泵；开有一观察窗；生长准备室与生长室相连，由真空闸板阀隔离；生长准备室样品传送杆，衬底通过生长准备室样品传送杆由生长准备室传入生长室。

本发明生长设备的生长室，包括有：由溅射离子泵和钛升华泵组成生长室的抽真空系统；测量真空度的离子规；开有一生长室观察窗；有可升降和转动的样品架与步进电机连接，步进电机与计算机连接，控制样品架的旋转速率；衬底钽片加热器；生长室样品架下边有多只束源炉；有测量束流大小束流规；在束源炉周围采用工艺冷水机构成冷却系统。

本发明每一束源炉口处有一快门，用挡板隔离衬底与束源炉，束源炉为2-8只，温控精度为±0.5℃，室温到1200℃连续可调可控，束源炉的冷却用循环水冷。

本发明所述的步进电机，在样品生长时的可控可调的旋转速率为0～30转/分无级调速。

本发明所述加热系统，进样室加热炉为碘钨灯，在室温～200℃可控可调；预处理室加热炉为石墨加热，在室温～350℃可控可调；生长室加热炉为钽片加热，在室温～800℃可控可调，温度波动在±1℃内。

本发明所述的冷却系统，束源炉和生长室的冷却系统是由工艺冷水机提供循环冷却水，其中供水温度5℃～20C可调可控，生长室也可以用液氮冷却。