[发明专利]一种砷化镉同质PN结薄膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种砷化镉同质PN结薄膜及其制备方法，制备方法包括以下步骤：1)采用分子束外延技术，在衬底上生长一层碲化镉缓冲层；2)采用分子束外延技术，在步骤1)中的碲化镉缓冲层上生长一层高浓度锌掺杂的砷化镉薄膜；3)采用分子束外延技术，在步骤2)中的高浓度锌掺杂的砷化镉薄膜上生长本征砷化镉薄膜，得到砷化镉同质PN结薄膜。与现有技术相比，本发明创新性地实现了狄拉克半金属材料的同质PN结原位外延生长，衬底处理工艺简单，对设备要求低，可以获得基于拓扑狄拉克材料的同质PN结。

技术领域

本发明属于薄膜制备技术领域，涉及一种砷化镉同质PN结薄膜及其制备方法。

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。

理论和实验已经证明，对砷化镉的元素掺杂可以有效地调节其费米面，可以改变材料中的载流子浓度，甚至载流子类型。本征砷化镉表现出n型的金属性电输运特征；对其进行锌元素的有效掺杂，可以降低费米面，如果锌的浓度继续增大，就可以完成从n型薄膜到p型薄膜的转变。但是，通常的生长方法很难同时大面积地生长p型和n型的砷化镉，以形成砷化镉的同质PN结。

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砷化镉同质PN结薄膜及其制备方法，其设备要求低，工艺简单。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种砷化镉同质PN结薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)采用分子束外延技术，在衬底上生长一层碲化镉缓冲层，其目的是减少上层砷化镉薄膜的晶格失配；

2)采用分子束外延技术，在步骤1)中的碲化镉缓冲层上生长一层高浓度锌掺杂的砷化镉薄膜；

3)采用分子束外延技术，在步骤2)中的高浓度锌掺杂的砷化镉薄膜上生长本征砷化镉薄膜，得到砷化镉同质PN结薄膜。

进一步地，步骤1)中，所述的衬底为蓝宝石衬底。

进一步地，步骤1)中，所述的衬底在腔体中预先进行除气处理，得到平整清洁的表面。

进一步地，除气处理过程为：将衬底温度升至530-580℃除气25-35min。

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

进一步地，步骤2)中，生长高浓度锌掺杂的砷化镉薄膜时，衬底温度为90-140℃，锌蒸发源的温度为220-240℃，高浓度锌掺杂的砷化镉薄膜的生长速率为140-160nm/h，高浓度锌掺杂的砷化镉薄膜的厚度≥10nm。

进一步地，步骤2)中，所述的高浓度锌掺杂的砷化镉薄膜中，锌的掺杂浓度为25wt％-50wt％。

进一步地，步骤3)中，生长本征砷化镉薄膜时，衬底温度为90-140℃，本征砷化镉薄膜的生长速率为140-160nm/h，本征砷化镉薄膜的厚度≥10nm。

进一步地，制备过程在真空环境下进行。

一种砷化镉同质PN结薄膜，该薄膜采用所述的方法制备而成。

本发明创新性地实现了狄拉克半金属材料的同质PN结原位外延生长，衬底处理工艺简单，对设备要求低，可以获得基于拓扑狄拉克材料的同质PN结。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：