[发明专利]一种利用分子束外延设备生长大尺度砷化镉薄膜的方法

说明书

本发明属于薄膜制备技术领域，具体一种利用分子束外延设备生长大尺寸砷化镉薄膜的方法。本发明方法，利用云母作为衬底，首先生长碲化镉作为缓冲层，利用砷化镉非晶块体材作为热蒸发源，以较低温度生长砷化镉低温缓冲层,随后在较高温度生长砷化镉薄膜至所需厚度。本发明与现有技术相比，使用经济的云母作为衬底，衬底处理工艺简单，采用非晶砷化镉蒸发源对设备要求低，工艺简单可获得晶圆级单晶薄膜，样品尺寸可达两英寸；薄膜单晶质量好，迁移率高。薄膜单晶质量好，迁移率高。

技术领域

本发明属于薄膜制备技术领域，具体是涉及分子束外延生长砷化镉薄膜的方法。

背景技术

砷化镉是一种新型拓扑狄拉克材料，其相关拓扑理论获得2016年诺贝尔物理学奖。其能带结构具有无能隙、电子有效质量为零的线性色散关系，具有新的光、电、磁等特性。与传统半导体相比，砷化镉具有强自旋耦合，量子特性、超高迁移率及宽光谱吸收特性，因而在自旋电子、量子信息和光电探测等领域有重大应用前景。

通常生长砷化镉薄膜，可采用热蒸发的方式，在石英或氯化钠衬底上形成薄膜，所得薄膜为非晶；用分子束外延生长砷化镉单晶薄膜，采用碲化镉作为衬底，尺寸小，应用发展受限；采用砷化镓或碲化镓衬底，价格昂贵，衬底预处理工艺复杂；在大尺寸衬底上直接以较高温度生长砷化镉薄膜，薄膜难以在衬底上均匀生长；采用分别蒸发镉、砷源，调节束流比以获得符合化学计量比的砷化镉薄膜的方法中，需要高温裂解砷源，对设备要求高，工艺难度大。

发明内容

为了克服上述技术难题，本发明的目的在于提供一种设备要求低、工艺简单的生长大尺寸高质量砷化镉薄膜的方法。

本发明提供的生长大尺寸高质量砷化镉薄膜的方法，采用分子束外延设备，具体步骤为：

（1）采用云母作为衬底，对衬底采用机械剥离方式处理，以得到平整清洁的解理面；

（2）采用分子束外延技术，在衬底上生长碲化镉作薄膜作为缓冲层；生长碲化镉缓冲层以解决晶格失配问题；

（3）采用分子束外延技术，在碲化镉上生长砷化镉薄膜，分两步进行：首先以较低温度110-120℃生长温度生长4-10纳米砷化镉薄膜，使得砷化镉在缓冲层上大面积成核外延，随后，提高生长温度至150-170℃生长所需厚度的砷化镉单晶薄膜。

本发明可实现晶圆级高质量单晶砷化镉薄膜的可控生长。

本发明中，步骤（2）中，生长碲化镉薄膜时，衬底温度为180-200℃，碲化镉薄膜厚度为10-20纳米。

本发明中，生长砷化镉薄膜时，以非晶砷化镉块材作为蒸发源。

本发明中，作为衬底的云母大小为1-2英寸，优选为2英寸。相应的砷化镉薄膜大小可达2英寸。

与现有技术相比，本发明的显著优点为，采用云母作为衬底，衬底预处理方式简单，价格较为经济；采用非晶砷化镉蒸发源制备高质量薄膜，对设备要求低，工艺简单，可获得晶圆级单晶薄膜；薄膜单晶质量好，迁移率高。

附图说明

图1为云母上的生长的砷化镉薄膜。

图2为砷化镉薄膜高能电子束衍射图。表明薄膜为平整的高质量单晶。

图3为云母上砷化镉薄膜的X射线衍射图。其中，虚线为砷化镉薄膜（112）方向衍射峰位，其余衍射峰来自云母衬底。

图4为砷化镉薄膜载流子浓度和迁移率。

具体实施方式