一种GeBi合金薄膜及其制备方法技术

一种GeBi合金薄膜及其制备方法，属于薄膜材料技术领域。包括P型硅衬底，以及采用分子束外延方法形成于P型硅衬底之上的厚度为150～660nm的GeBi合金薄膜。本发明专利技术通过控制锗源、铋源的温度和生长时间，制备得到了铋含量高达32.8％的GeBi合金薄膜，远远超过了GeBi合金的最大固溶率，有效提升了薄膜的导电性能；本发明专利技术制备得到的GeBi合金薄膜的应用波长范围可完全覆盖C波段和L波段，且截止波长超过2.3μm，可广泛应用于红外光电探测器。

GeBi alloy film and preparation method thereof

The invention relates to a GeBi alloy film and a preparation method thereof, belonging to the technical field of film materials. The GeBi alloy film with a thickness of 150 to 660nm is formed, including a P type silicon substrate and a molecular beam epitaxy method formed on a P type silicon substrate. The temperature and duration of growth through the control of germanium source, bismuth source, prepared by the bismuth content of GeBi alloy films up to 32.8%, far more than the maximum of GeBi alloy rate, effectively improves the conductivity of the films; application of the wavelength range of GeBi alloy film prepared by the invention can completely cover the the C and L bands, and the cutoff wavelength of more than 2.3 m, can be widely used in infrared detector.

【技术实现步骤摘要】
一种GeBi合金薄膜及其制备方法
本专利技术属于薄膜材料
，特别涉及一种高电导率的GeBi合金薄膜及其制备方法，该薄膜可广泛应用于红外光电探测器。
技术介绍
光电探测器是利用半导体材料的光电导效应制成的一种探测器，而光电导效应是指辐照引起被照射材料电导率变化的一种物理现象。一般来说，凡是禁带宽度或杂质离化能适合的半导体都具有光电效应，都可应用于光电探测器。但是在实际应用过程中，还需要综合考虑材料的性能、制备工艺、价格等因素。目前，应用较多的光电探测器材料主要有GeSi、GeSn等。在光通信领域中，密集波分复用技术所利用的激光的光波长已经从C波段(1.53-1.56μm)扩展到了L波段(1.56-1.62μm)，这不仅要求光电探测器的波长范围覆盖C波段和L波段，且需要光电探测器的响应截止波长高于2μm。目前，实现波长范围在2-10μm的中远红外光电探测器，并解决其原位可控掺杂是当今国际上关注的热点。早在1984年，贝尔电话实验室(JayMathews,RadekRoucka,Junqixe,ShuiqingYu,JoseMenendozandJ.Kouvetakis,ExtendedperformanceGeSn/Si(100)p-i-nphototectorforfullspectralranytelecommunicationapplication,APL.95(2009)133506)采用MBE(分子束外延)法制备得到GeSi薄膜PIN器件，但是该器件的工作波长仅为1.45μm，波长没有达到C或者L波段。2010年，德国斯图加特大学J.Werner等(J.Werner,M.oehme,M.schmind,Mkaschel,Schirmer,E.KasperandJ.Schulze,GeSnP-i-nphototectorintegratedonsillcongrownbymolecularbeamepitaxy,98(2011)061108)采用MBE技术在非常低的衬底温度下外延生长出Sn含量为0.5％～3％的GeSn薄膜，并制备出工作波长范围为1.2～1.6μm的PIN红外探测器。2011年，中国科学院半导体研究所王启明院士等(ShaoJian,Buwencheng,ChunlaiXue,Qimingwang,GeSnp-i-nphototectorforalltelecommunicationbandadetection,OpticalExpress,19(2011)6400-6405)采用MBE技术在Si衬底上生长出较厚的Ge缓冲层，然后通过光刻技术形成了PIN探测器，该探测器的工作波长范围是1.3～1.6μm。2015年，S.Wirths等(S.Wirths,R.Geiger,N.vondenDriesch,G.Mussler,T.Stoica,S.Mantl,Z.Ikonic,M.Luysberg,S.Chiussi,J.M.Hartmann,H.Sigg,J.Faist,D.Buca1andD.Grützmacher,“Lasingindirect-bandgapGeSnalloygrownonSi”,NaturePhoton.9,88–92(2015))在Si基片上成功生长出直接带隙GeSn薄膜，并首次实现波长约为1.5μm左右的GeSn薄膜探测器。然而，上述半导体GeSi、GeSn光电探测器的截止波长仍然未突破2.0μm，应用波长也未完全覆盖C波段和L波段。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种新型的GeBi合金薄膜及其制备方法，该薄膜的应用波长范围可完全覆盖C波段和L波段，且截止波长超过2.3μm，可广泛应用于红外光电探测器。本专利技术的技术方案如下：一种GeBi合金薄膜，包括P型硅衬底，以及采用MBE(分子束外延)方法形成于P型硅衬底之上的GeBi合金薄膜。进一步地，所述GeBi合金薄膜的厚度为150～660nm。进一步地，所述P型硅衬底为硼掺杂的P型Si(100)基片，其电阻率为1*10-5～2*10-4Ω·cm，对应的载流子浓度高达1*1020～1*1021，电导率接近金属。进一步地，所述采用分子束外延方法制备GeBi合金薄膜时，以固体Ge材料作为Ge源，固体Bi材料作为Bi源，控制基片温度为200～400℃，Ge源温度为1000～1300℃，Bi源温度为300～600℃，薄膜的生长时间为150～220min，生长速率为1～3nm/min。进一步地，所述GeBi合金薄膜中，Ge的质量分数为60％～98％，Bi的质量分数为2％～40％。一种GeBi合金薄膜的制备方法，包括以下步骤：步骤1：依次采用氢氟酸、去离子水、丙酮、酒精和去离子水清洗P型硅衬底，并采用氮气吹干；步骤2：将步骤1清洗干燥后的硅衬底放入分子束外延腔室中，抽真空至2×10-7～5×10-7torr；步骤3：采用分子束外延法在步骤2的硅衬底上生长薄膜，其中，衬底温度为200～400℃，Ge源温度为1000～1300℃，Bi源温度为300～600℃，生长时间为150～220min，生长速率为1～3nm/min；步骤4：待薄膜生长完成后，将Bi源温度降低至400℃以下，Ge源温度降低至300℃以下，衬底温度降低至室温，取出衬底，即可在硅衬底上得到GeBi合金薄膜。进一步地，步骤4所述Ge源的降温速率为3～8℃/min，Bi源和衬底的降温速率为2～8℃/min。本专利技术还提供了上述GeBi合金薄膜在红外光电探测器中的应用。本专利技术的有益效果为：1、本专利技术提出了一种新型的GeBi合金薄膜及其制备方法，在重掺杂P型Si(100)基片上采用MBE法生长得到了GeBi合金薄膜；本专利技术通过控制锗源、铋源的温度和生长时间，制备得到了铋含量高达32.8％的GeBi合金薄膜，远远超过了GeBi合金的最大固溶率，有效提升了薄膜的导电性能。2、本专利技术制备得到的GeBi合金薄膜的应用波长范围可完全覆盖C波段和L波段，且截止波长超过2.3μm，可广泛应用于红外光电探测器。附图说明图1为本专利技术实施例1～4制备得到的GeBi合金薄膜的近红外光响应度随波长变化的曲线图。具体实施方式下面结合附图和实施例，详述本专利技术的技术方案。实施例1一种GeBi合金薄膜的制备方法，包括以下步骤：步骤1：依次采用氢氟酸、去离子水、丙酮、酒精和去离子水清洗重掺杂P型硅(100)衬底，并采用氮气吹干；步骤2：将步骤1清洗干燥后的硅衬底放入分子束外延腔室中，抽真空至3×10-7torr；步骤3：采用分子束外延法在步骤2的硅衬底上生长薄膜，其中，衬底温度为350℃，Ge源温度为1200℃，Bi源温度为400℃，生长时间为200min，生长速率为2nm/min；步骤4：待薄膜生长完成后，以5℃/min的速率将Bi源温度降低至300℃，以2℃/min的速率将Ge源温度降低至200℃以下，以2℃/min的速率将衬底温度降低至室温，取出基片，即可在硅衬底上得到GeBi合金薄膜。实施例1制备得到的GeBi合金薄膜的性能为：GeBi合金薄膜中Ge的质量百分含量为98％，Bi的质量百分含量为2％；平均粗糙度Ra：1.013nm；均方根粗糙度RMS：1.196nm；电导率：26.914s本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GeBi合金薄膜，包括P型硅衬底，以及采用分子束外延方法形成于P型硅衬底之上的GeBi合金薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种GeBi合金薄膜，包括P型硅衬底，以及采用分子束外延方法形成于P型硅衬底之上的GeBi合金薄膜。2.根据权利要求1所述的GeBi合金薄膜，其特征在于，所述GeBi合金薄膜的厚度为150～660nm。3.根据权利要求1所述的GeBi合金薄膜，其特征在于，所述P型硅衬底为硼掺杂的P型Si基片，其电阻率为1×10-5～2×10-4Ω·cm，载流子浓度为1×1020～1×1021。4.根据权利要求1所述的GeBi合金薄膜，其特征在于，所述采用分子束外延方法制备GeBi合金薄膜时，以固体Ge材料作为Ge源，固体Bi材料作为Bi源，控制基片温度为200～400℃，Ge源温度为1000～1300℃，Bi源温度为300～600℃，薄膜的生长时间为150～220min，生长速率为1～3nm/min。5.根据权利要求1所述的GeBi合金薄膜，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖宇龙，王鑫宇，张岱南，李颉，金立川，杨青慧，张怀武，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51