[发明专利]一种在硅(211)衬底上生长硒化铋高指数面单晶薄膜的方法

说明书

本发明公开了一种在硅(211)衬底上生长硒化铋高指数面单晶薄膜的方法，包括以下操作步骤：1)：对晶面取向为(211)的Si衬底进行闪硅处理或者化学腐蚀处理；2)：升高Bi束流源温度，在步骤1)制得的Si(211)衬底上沉积生长Bi缓冲层；3)：待步骤2)中生长出Bi缓冲层后，调节Bi束流源温度，升高Se裂解束流源温度，开始Bi₂Se₃形核层的生长；4)：待步骤3)Bi₂Se₃形核层生长完成后，继续进行Bi₂Se₃高指数面单晶外延薄膜的生长，即得。本技术方案采用Bi超薄单晶层作为缓冲层，在Bi缓冲层表面上生长厚度为3—5nm的低温Bi₂Se₃形核层后，再适当提高生长温度进行Bi₂Se₃高指数面单晶薄膜外延层的生长，就可获得结晶度较好的Bi₂Se₃高指数面单晶薄膜。

技术领域

本发明属于半导体材料领域，具体涉及一种在硅(211)衬底上生长硒化铋高指数面单晶薄膜的方法，特别是利用分子束外延设备在Si(211)衬底上采用生长超薄Bi缓冲层法生长Bi₂Se₃(2045)取向高指数面单晶外延薄膜的方法。

背景技术

以Bi₂Se₃为代表的一类传统热电材料被预言为新一类的三维拓扑绝缘体材料[文献1]后引发了大量关注。拓扑绝缘体是一种全新的量子态物质，与传统的导体、半导体和绝缘体材料完全不同，在其体内是有能隙的绝缘态，表面却是无能隙的金属态，具有一些奇特的量子效应[文献2,3,4]，在未来量子计算和自旋电子器件等研究方面有着巨大的应用前景。

Bi₂Se₃拓扑绝缘体(001)表面的拓扑狄拉克表面能带为对称的圆锥形，但是Bi₂Se₃的高指数晶面由于对称性下降，对应的狄拉克表面能带形状将逐渐变形成为独特的各向异性椭圆形，表面电子的运动状态也会发生相应变化，这启发了一种通过改变Bi₂Se₃表面对称性来调控其拓扑量子性质的方法，这种方法既不依赖于复杂的掺杂过程，也不需要精确的厚度控制。然而，由于Bi₂Se₃拓扑绝缘体的强各向异性结合特性，很难通过机械切割或解理来获得高质量的高指数表面。目前获得Bi₂Se₃高指数表面的方法都是通过异质外延生长。如文献5是用采用分子束外延技术在InP(001)面上实现了Bi₂Se₃(221)高指数面取向的单晶薄膜的生长；文献6采用了分子束外延技术在GaAs(001)面上实现了Bi₂Se₃(221)高指数面取向的单晶薄膜的生长，但该技术在生长Bi₂Se₃(221)薄膜之前必须先生长一层In₂Se₃缓冲层才能顺利实现Bi₂Se₃(221)薄膜的生长，直接在GaAs(001)面上生长Bi₂Se₃仅能获得取向为(001)的低指数面外延膜(文献7)；文献8和文献9则是采用热壁外延法在InP(11n)(n＝3、4和5)高指数面上生长了高指数面Bi₂Se₃薄膜。但上述技术都是采用了昂贵的化合物半导体作为Bi₂Se₃高指数面薄膜外延的衬底，其中的一些技术(文献6)还必须采用特殊的缓冲层工艺，因此经济性较差，且无法与现代微电子工艺兼容。

参考文献：