[发明专利]石墨衬底上的Ⅲ-Ⅴ或Ⅱ-Ⅵ化合物半导体膜

说明书

技术领域

本发明涉及用于在石墨衬底上外延生长薄膜的方法。特别地，本发明采用分子束外延技术在石墨衬底上外延生长半导体薄膜。所得的石墨负载的半导体膜形成本发明进一步的方面。膜优选地是半导体材料，并且在例如电子行业或在太阳能电池应用中具有广泛应用。

背景技术

近年来，随着纳米技术成为重要的工程学科，对半导体的兴趣增加。已经发现半导体技术在各种电子设备诸如传感器、太阳能电池和LED中的重要应用。

许多不同类型的半导体是已知的，一些是膜形式。通常，半导体膜生长在与半导体本身相同的衬底上(同质外延生长)。因而，GaAs生长在GaAs上，Si生长在Si上，等等。当然，这确保衬底的晶体结构和生长的半导体的晶体结构之间存在晶格匹配。衬底和半导体二者可以具有相同的晶体结构。

然而，使用相同的材料作为衬底也是高度局限性的。而且，必要的衬底材料可能是昂贵的。也正常的是，需要切割衬底以暴露衬底的晶体结构内的特定平面诸如(001)平面或(111)平面。这可能是困难的并且增加了衬底的成本。

然而，随着三元半导体的引入，通过调节三元、四元等半导体的组成，可以实现二元衬底诸如GaAs、GaSb和InP上的晶格匹配。因此，这表示作为衬底和生长膜的异质外延生长是不同的。

假同晶外延层的生长也是已知的。在假同晶外延层中，由于外延层和衬底之间的晶格失配(1％的数量级)，外延层中存在小应变(1％的数量级)。假同晶外延层仅可以无缺陷地生长到一定厚度，被称为“临界厚度”，在该厚度以上假同晶外延层开始“松弛”。在松弛期间，位错被引入外延层中以便减小层中的应变能。这些富位错层具有有限的作为半导体的兴趣。

补偿外延层中的应变的一种方法已经是生长“应变层超晶格”。这些应变层超晶格包括两种或多种材料的交替外延层，这些材料具有补偿彼此应变的不同的平衡晶格常数。因而，可以生长具有交替压缩和拉伸应变的层。在某些情况下，因为超晶格的平均晶格常数作为整体可以被修整为匹配衬底的晶格常数，这些应变层超晶格可以生长得非常厚。

然而，用于异质外延生长的必要的衬底材料可能是不容易获得的并且再一次地它们可能是昂贵的。

本发明人因此寻求在其上生长半导体薄膜的其它衬底材料，特别地，在工业规模上经济上可行的便宜衬底。本发明人寻求使用石墨衬底承载半导体薄膜，特别地石墨烯。

完美的石墨烯是紧密堆积为蜂窝状晶格的sp²-键合碳原子的一个原子厚度的平面片。石墨的晶体或“薄片”形式由许多堆积在一起的石墨烯片组成。由于其有利的性能，最近石墨烯吸引了许多关注。它是轻的、透明的并且又是非常坚硬且导电的。其作为用于半导体薄膜的载体的用途将因此是非常有吸引力的。

Jiang等在2012年2月10日的PhysicalReviewLetters中，教导了在石墨烯上的Sb₂Te₃薄膜。这些膜通过分子束外延生长并且由于膜内的内在缺陷或来自从石墨烯衬底继承的掺杂物的内在缺陷，这些膜是半导体。

然而，本发明人寻求形成与Sb₂Te₃完全不同结构的(III)/(V)或(II)/(VI)族半导体。Sb₂Te₃没有孤对电子，因此没有中间层粘附力。因此，像石墨一样，它是片状的并且仅用非常弱的范德华力保持晶体结构的一层至下一层。它是“二维的”材料。承载Sb₂Te₃的薄膜对沉积本发明的半导体的薄膜提出了非常不同的挑战，本发明的半导体薄膜具有可用于中间层键合并且用于与衬底相互作用的孤对电子。因此本发明的半导体是“三维的”。

本发明涉及“三维”材料，因为本发明的半导体具有游离的孤对电子和原子间键合。当在衬底上生长“三维”晶体膜时，必要的是，在衬底和半导体之间存在晶格匹配以便形成适合于应用的高结构化、电子和光学质量的单晶体膜。如果没有这种晶格匹配，不会形成有用的膜。对于本发明，因此晶格匹配是重要的，而对于Sb₂Te₃，它是无关紧要的。

既然与典型的半导体像硅和GaAs相比石墨衬底在表面上不具有孤对电子并且具有非常短的原子键长，没有理由预期膜在其上成核并外延生长。如以下所令人惊讶地指出的，本发明人已经意识到，依赖于如何将半导体原子放置在石墨烯的表面上，石墨衬底和一些半导体之间可能存在极好的晶格匹配。可选地，合适的(II)、(III)、(V)或(VI)族元素和石墨衬底之间可能存在紧密的晶格匹配。