一种在ＣｄＺｎＴｅ衬底上制备Ⅳ－Ⅵ族半导体单晶薄膜的方法，是在分子束外延装置中，采用分子束外延生长方法，在不同生长温度下，利用不同Ⅳ－Ⅵ族化合物分子束源，其特征是：在ＣｄＺｎＴｅ单晶衬底材料上外延生长单晶薄膜，所述ＣｄＺｎＴｅ衬底具有通式Ｃｄ↓［１－ｘ］Ｚｎ↓［ｘ］Ｔｅ，式中Ｘ＝０～０．３，制备工艺步骤如下： １）、将化学抛光的ＣｄＺｎＴｅ单晶衬底装入进样室的衬底架，用分子泵抽进样室，真空至≤５×１０↑［－５］Ｐａ，在进样室，加热衬底至１５０～２００℃，除气３０分钟； ２）、将衬底在室温下用磁力传输杆传入到准备室中，在将衬底加热到３５０℃除气３０分钟；对装有不同分子束蒸发源的各束源炉进行除气，将束源炉升温至所需温度，除气温度为高于生长用束源炉的温度１５℃，除气时间１０～１５分钟，并用离子规测量束流大小，通过调节束源炉温度控制分子束束流大小； ３）、待衬底除气后，并降至室温，将准备室中衬底传入到生长室中，用闸板阀隔离生长室和准备室，生长室抽真空至≤５×１０↑［－８］Ｐａ的超高真空度； ４）、在生长室加热衬底，当生长温度加热到３５０℃时，打开Ｔｅ束源炉，在Ｔｅ气体氛围下加热衬底到６００℃； ５）、当衬底加热温度到达６００℃，保持５分钟除气； ６）、将衬底温度调节到所需温度２００～５５０℃，打开衬底旋转电机，控制转速在１～４０转每分钟，打开其他束源炉挡板，开始生长； ７）、当单晶薄膜生长达到预期厚度时，结束生长，关闭其他束源炉挡板，衬底温度降至３５０℃，关闭Ｔｅ束源炉，温度降至室温，取出生长的样品。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属十半导体单晶薄膜及其异质结构的外延制备
，具体涉及在CdZnTe (或 称Cd卜(ZnxTe: X=0~0.3)衬底上制备IV — VI族半导体单晶薄膜的方法。技术背景近年来，由IV — VI族半导体(PbTe, PbSe等)研制的中红外激光器、中红外探测器等光 电子器件在环境检测、有毒气体监控、生物医学、国防等重要领域具有应用前景，使得IV — VI族半导体材料成为研究热点。IV—VI族半导体材料包括二元系的PbSe， PbTe， SnSe， SnTe 和三元系的PbSrSe， PbSrTe, PbSnSe， PbSnTe, PhEuSe, PbMnTe及其它们的异质结构等，IV 一VI族半导体材料是具有直接带隙，能带对称性高、Auger复合速率低等独特物理性质的窄 带隙半导体材料，而且其具有发光效率高、介电常数大、热导率低等特点，使其成为重要的 中红外光电材料和典型的热电材料。应用于城市道路中汽车尾气、化工J有毒气体的实时检 测、半导体制冷等领域。然而IV-VI族半导体材料及其中红外光电器件的发展过程中一直受到衬底的制约。在研 究和开发的早期阶段，由于PbTe、 PbSe体材料衬底和外延层晶格失配、热失配小，这些衬 底材料广泛的应用于IV-VI族半导体材料的外延生长中。但同时人们发现PbTe、 PbSe衬底 的硬度低、易受机械损伤，热导率低、散热性能差，而且非常昂贵。因此，人们开始用绝缘 的、比较廉价的BaF2衬底来替代PbTe、 PbSe体材料衬底。如Microstructural properties of single crystalline PbTe thin films grown on BaF2(lll) by molecular beam epitaxy， Chinese Physics Letters, 22(9)， 2353(2005)，公开了在BaF2 (111)单晶外延生长IV — VI族窄带隙半导体单晶薄膜。但是，BaF2衬底是不导电的，在光电器件的应用上还是受到许 多限制，并且BaF2衬底的易潮解性，使得在器件制作过程中存在诸多问题。与此同时，用Si 材料做衬底外延生长IV-VI族半导体材料和器件制作也得到了发展，比如Molecular beam epitaxy growth of PbSe on BaF2-coated Si (111) and observation of the PbSe growth interface, J. Vac. Sci. Technol. B， 17(3)， 1263(1999)公开了通过在S丄衬底上沉 积CaF2和BaF2缓冲层的方法获得PbSe单晶外延薄膜。但是Si和PbSe之间高的晶格失配和 热膨胀系数失配在外延层中产生大量的位错和缺陷。这些缺陷损坏了激光器和探测器的性 能，如增大阈值电流，减少发光效率和降低探测灵敏度。最近国际上报道用CdTe做缓冲层在GaAs衬底上生长PbTe外延膜，而后进一步通过退 火得至lj PbTe量子点的工作取得了进展，一.Ze. ， 2006 ， 88 (19) :192109-192111。 在PbTe/CdTe/GaAs上观察到强的室温中红外光致发光(PL)，这有助于提高IV-VI族半导体 的光电性能。但是PbTe和GaAs之间的晶格失配和热失配引起的缺陷仍然成为进一步提高器 件性能的障碍。而且GaAs属于III-V族材料，GaAs表面的解吸过程对真空室的要求非常高， CdTe缓冲层通过外延生长增加了器件制作的复杂性，提高了IV — VI族半导体器件应用的成 本。并且在GaAs衬底上外延CdTe需要低温沉积，这会影响CdTe缓冲层的晶体质量中国专利200710068039.7， 200710068863.2提供了IV —VI族半导体单晶薄膜和异质结 构的制备方法和装置，获得了具有高质量的单晶薄膜，但使用的衬底材料是BaF2 (111)单 晶、Si (111)单晶上覆盖CaF2、 BaF2缓冲层，Mg0 (100)， MgO (111)单晶衬底，上述衬底 都是绝缘体，在这些CaF2、 BaF2， MgO绝缘体衬底上生长IV—VI族半导体单晶薄膜对电子器 件的后工艺制造会带来很多不便，而且散热特性较差从而使器件的性能下降、制造成本上升。 因此外延生长IV-VI族半导体的衬底选择成为此类材料应用的一个主要问题，因此，与目前 广泛应用的宽带隙GaN半导体类似，目前外延GaN发光二极管结构材料是蓝宝石衬底，人们 不断想突破在半导体Si， GaN衬底上外延GaN LED,寻求在半导体衬底上外延生长IV—VI族 半导体单晶薄膜及其异质结构的技术始终是努力的目标。上述2个专利未涉及采用半导体衬 底。
技术实现思路
本专利技术的目的是中国专利200710068039.7， 200710068863.2的基础上，选择一种能在 CdTe衬底上，生长高质量IV —VI族半导体单晶薄膜及其异质结构的制备方法。本专利技术参照用CdTe做缓冲层在GaAs衬底上生长PbTe外延膜技术，通过大量实验证明 通过分子束外延的生长工艺的优化控制，能够在CdZnTe半导体衬底实现高质量的IV—VI族 半导体单晶薄膜和异质结构，用CdZnTe半导体衬底上外延的实现高质量的PbTe单晶薄膜， 研制出了光电器件。为了实现上述目的，本专利技术提供的制备IV—VI族半导体单晶薄膜的方法，是在分子束外 延装置中，采用分子束外延生长方法，在不同生长温度下，利用不同IV—VI族化合物分子束 源，在CdZnTe (或称CcUZnJe)单晶衬底材料上外延生长单晶薄膜，所述CdhZn/Te衬底的 Zn的组分X是0 0.3，分子束外延装置中具有进样室、准备室、生长室、多个束源炉，具体 制备工艺步骤如下1)、将化学抛光的CdZnTe单晶衬底装入进样室的衬底架，用分子泵抽进样室，真空至《5x10—5Pa，在进样室，加热衬底至150~200°C，除气30分钟；2) 、将衬底在室温下用磁力传输杆传入到准备室中，在将衬底加热到350'C除气30分钟；对装有不同分子束蒸发源的各束源炉进行除气，将束源炉升温至所需温度，除气温度为 高于生长用束源炉的温度15'C，除气时间10 15分钟，并用离了规测量束流大小，通过 调节束源炉温度控制分子束束流大小；3) 、待衬底除气后，并降至室温，将准备室中衬底传入到生长室中，用闸板阀隔离生长室和准备室，生长室抽真空至《5x10—Ta的超高真空度；4) 、在生长室加热衬底，当生长温度加热到35(TC时，打开Te束源炉，在Te气体氛围下加热衬底到600'C;5) 、 3衬底加热温度到达6(XTC，保持5分钟除气；6) 、将衬底温度调节到所需温度200 55(TC，打开衬底旋转电机，控制转速在1~40转每分钟，打开其他束源炉挡板，开始生长；7) 、当单晶薄膜生长达到预期厚度时，结束生长，关闭其他束源炉挡板，衬底温度降至350'C，关闭Te束源炉，温度降至室温，取出生长的样品。本专利技术所述的CdZnTe衬底是通过垂直布里奇曼方法生长或气相输运生长，沿[lll]晶向或 [IOO]晶向切割而成，通过A1A粉末机械抛光，而后用1:100的溴本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种在ＣｄＺｎＴｅ衬底上制备Ⅳ－Ⅵ族半导体单晶薄膜的方法，是在分子束外延装置中，采用分子束外延生长方法，在不同生长温度下，利用不同Ⅳ－Ⅵ族化合物分子束源，其特征是：在ＣｄＺｎＴｅ单晶衬底材料上外延生长单晶薄膜，所述ＣｄＺｎＴｅ衬底具有通式Ｃｄ↓［１－ｘ］Ｚｎ↓［ｘ］Ｔｅ，式中Ｘ＝０～０．３，制备工艺步骤如下：１）、将化学抛光的ＣｄＺｎＴｅ单晶衬底装入进样室的衬底架，用分子泵抽进样室，真空至≤５×１０↑［－５］Ｐａ，在进样室，加热衬底至１５０～２００℃，除气３０分钟；２）、将衬底在室温下用磁力传输杆传入到准备室中，在将衬底加热到３５０℃除气３０分钟；对装有不同分子束蒸发源的各束源炉进行除气，将束源炉升温至所需温度，除气温度为高于生长用束源炉的温度１５℃，除气时间１０～１５分钟，并用离子规测量束流大小，通过调节束源炉温度控制分子束束流大小；３）、待衬底除气后，并降至室温，将准备室中衬底传入到生长室中，用闸板阀隔离生长室和准备室，生长室抽真空至≤５×１０↑［－８］Ｐａ的超高真空度；４）、在生长室加热衬底，当生长温度加热到３５０℃时，打开Ｔｅ束源炉，在Ｔｅ气体氛围下加热衬底到６００℃；５）、当衬底加热温度到达６００℃，保持５分钟除气；６）、将衬底温度调节到所需温度２００～５５０℃，打开衬底旋转电机，控制转速在１～４０转每分钟，打开其他束源炉挡板，开始生长；７）、当单晶薄膜生长达到预期厚度时，结束生长，关闭其他束源炉挡板，衬底温度降至３５０℃，关闭Ｔｅ束源炉，温度降至室温，取出生长的样品。...
【技术特征摘要】
1、一种在CdZnTe衬底上制备IV-VI族半导体单晶薄膜的方法，是在分子束外延装置中，采用分子束外延生长方法，在不同生长温度下，利用不同IV-VI族化合物分子束源，其特征是在CdZnTe单晶衬底材料上外延生长单晶薄膜，所述CdZnTe衬底具有通式Cd1-xZnxTe，式中X＝0～0.3，制备工艺步骤如下1)、将化学抛光的CdZnTe单晶衬底装入进样室的衬底架，用分子泵抽进样室，真空至≤5×10-5Pa，在进样室，加热衬底至150～200℃，除气30分钟；2)、将衬底在室温下用磁力传输杆传入到准备室中，在将衬底加热到350℃除气30分钟；对装有不同分子束蒸发源的各束源炉进行除气，将束源炉升温至所需温度，除气温度为高于生长用束源炉的温度15℃，除气时间10～15分钟，并用离子规测量束流大小，通过调节束源炉温度控制分子束束流大小；3)、待衬底除气后，并降至室温，将准备室中衬底传入到生长室中，用闸板阀隔离生长室和准备室，生长室抽真空至≤5×10-8Pa的超高真空度；4)、在生长室加热衬底，当生长温度加热到350℃时，打开Te束源炉，在Te气体氛围下加热衬底到600℃；5)、当衬底加热温度到达600℃，保持5分钟除气；6)、将衬底温度调节到所需温度200～550℃，打开衬底旋转电机，控制转速在1～40转每分钟，打开其他束源炉挡板，开始生长；7)、当单晶薄膜生长达到预期厚度时，结束生长，关闭其他束源炉挡板，衬底温度降至350℃，关闭Te束源炉，温度降至室温，取出生长的样品。2、 根据权利要求1所述的在CdZnTe衬底上制备IV — VI族半导体单晶薄膜的方法，其特征是 所述的CdZnTe衬底，沿[lll]晶向或[IOO...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴惠桢，斯剑霄，徐天宁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86
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