[发明专利]一种高质量砷化镉薄膜的制备方法

说明书

本发明涉及一种高质量砷化镉薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：1)采用分子束外延技术，先在衬底上生长一层碲化镉缓冲层，之后在碲化镉缓冲层上生长砷化镉薄膜；2)采用原子层沉积技术，在步骤1)中的砷化镉薄膜上生长一层氧化铝覆盖层；3)采用快速退火技术，在0.5‑3min内将温度升高至550‑650℃并保持3‑7min，之后降至室温，得到高质量砷化镉薄膜。与现有技术相比，本发明采用原子层沉积技术和快速退火技术提高了砷化镉薄膜的晶体质量，衬底处理工艺简单，对设备要求低，可以获得更高质量、更高迁移率的晶圆级单晶砷化镉薄膜。

技术领域

本发明属于薄膜制备技术领域，涉及一种利用原子层沉积和快速退火技术的高质量砷化镉薄膜的制备方法。

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。

公开号为CN108660508A的中国发明专利公布了一种利用分子束外延设备生长大尺寸砷化镉薄膜的方法，通过在云母衬底上先生长一层碲化镉作为缓冲层，再生长砷化镉，可以有效解决晶格适配问题，得到大尺寸的均匀单晶薄膜。但是，这种方法生长的砷化镉薄膜有缺陷，质量难以满足需要。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高质量砷化镉薄膜的制备方法，设备要求低，工艺简单，能够提高砷化镉薄膜晶体质量。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高质量砷化镉薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)采用分子束外延技术，先在衬底上生长一层碲化镉缓冲层，之后在碲化镉缓冲层上生长砷化镉薄膜；

2)采用原子层沉积技术，在步骤1)中的砷化镉薄膜上生长一层氧化铝覆盖层；

3)采用快速退火技术，在0.5-3min内将温度升高至550-650℃并保持3-7min，之后降至室温，得到高质量砷化镉薄膜。

进一步地，步骤1)中，所述的衬底为云母衬底或蓝宝石衬底。

进一步地，步骤1)中，所述的衬底预先采用机械剥离方式进行处理，得到平整清洁的解理面。

进一步地，步骤1)中，生长碲化镉缓冲层时，温度为180-240℃，碲化镉缓冲层的厚度为10-20nm。碲化镉缓冲层的生长速率为55-65nm/h。生长碲化镉缓冲层以解决晶格失配问题。

进一步地，步骤1)中，生长砷化镉薄膜时，温度为100-180℃，砷化镉薄膜的厚度≥3nm。砷化镉薄膜的生长速率为140-160nm/h。

进一步地，步骤2)中，生长氧化铝覆盖层时，温度为130-150℃，氧化铝覆盖层的厚度为120-150nm。生长氧化铝覆盖层以减少砷化镉晶体在高温退火过程中的蒸发。

进一步地，所述的氧化铝覆盖层的生长速率为25-35nm/h。

进一步地，步骤2)中，原子层沉积过程中，前驱体源为三甲基铝与水。

进一步地，步骤3)中，快速退火过程在惰性环境中进行，优选为氮气环境。