[RU] (57) Реферат / Формула:
Композиция, включающая пленку на графитовой подложке, причем указанная пленка выращена эпитаксиально на указанной подложке, где указанная пленка содержит по меньшей мере одно соединение группы III-V или по меньшей мере одно соединение группы II-VI.
РСТ/ЕР2014/063195
H01L 21/20
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПЛЕНКИ ИЗ СОЕДИНЕНИЯ III-V ИЛИ II-VI НА
ГРАФИТОВЫХ ПОДЛОЖКАХ
Изобретение относится к способу эпитаксиального выращивания тонких пленок на графитовых подложках. В частности, в изобретении для эпитаксиального выращивания на графитовых подложках полупроводниковых тонких пленок применяют технологии молекулярной пучковой эпитаксии. Полученные полупроводниковые пленки на графитовом носителе образуют дополнительный аспект изобретения. Эти пленки предпочтительно представляют собой полупроводниковые материалы и имеют широкую область применений, например, в электронной промышленности или в солнечных элементах.
За последние годы интерес к полупроводникам усилился, поскольку важной инженерной дисциплиной стала нанотехнология. Полупроводниковая технология нашла важное применение во множестве электрических устройств, таких как датчики, солнечные элементы и светодиоды.
Известно много различных типов полупроводников, некоторые из них - в пленочной форме. Обычно полупроводниковые пленки выращивали на подложке, идентичной самому полупроводнику (гомоэпитаксиальный рост). Таким образом, GaAs выращивали на GaAs, Si на Si и т.д. Это, конечно, обеспечивает соответствие параметров кристаллических решеток между кристаллической структурой подложки и кристаллической структурой растущего полупроводника. Как подложка, так и полупроводник могут иметь идентичные кристаллические структуры.
Однако использование такого же материала в качестве подложки сильно ограничено. К тому же необходимые материалы подложки могут быть дорогими. Также обычно необходимо срезать подложку, чтобы обнажить конкретную плоскость внутри кристаллической структуры подложки, например, плоскость (001) или плоскость (111). Это может быть сложным и увеличивает затраты на изготовление подложки.
Однако с введением трехкомпонентных полупроводников стало возможным достичь соответствия параметров кристаллической решетки на двухкомпонентных подложках, таких как GaAs, GaSb и InP, путем регулирования состава трехкомпонентного, четырехкомпонентного и т.д.
полупроводника. Таким образом, это представляет собой гетероэпитаксиальный рост, так как подложка и растущая пленка являются различными.
Известен также рост псевдоморфных эпитаксиальных слоев. В случае псевдоморфных эпитаксиальных слоев в эпитаксиальном слое имеется небольшая деформация (порядка 1%) из-за несоответствия параметров кристаллических решеток (порядка 1%) между эпитаксиальным слоем и подложкой. Бездефектные псевдоморфные эпитаксиальные слои можно выращивать только до некоторой толщины, которую называют "критической толщиной", выше которой псевдоморфные эпитаксиальные слои начинают "релаксировать" (возвращаться в исходное состояние). В ходе релаксации в эпитаксиальном слое возникают дислокации, чтобы уменьшить энергию деформации в слое. В качестве полупроводников, такие слои с повышенным содержанием дислокаций представляют ограниченный интерес.
Одним из способов компенсации деформации в эпитаксиальном слое было выращивание "сверхрешетки с напряженными слоями". Такая сверхрешетка с напряженными слоями включает чередующиеся слои двух или более материалов с различными равновесными постоянными кристаллической решетки, которые компенсируют напряжения друг друга. Таким образом, можно вырастить слои с чередующимися напряжениями сжатия и растяжения. В некоторых случаях эту сверхрешетку с напряженными слоями можно вырастить очень большой толщины, так как среднюю величину постоянной кристаллической решетки для сверхрешетки в целом можно подобрать так, чтобы она соответствовала постоянной кристаллической решетки подложки.
Однако необходимые материалы подложки для гетероэпитаксиального роста могут быть труднодоступными, и они опять-таки могут быть дорогими.
Таким образом, авторы изобретения искали другие материалы положки, чтобы выращивать на них полупроводниковые тонкие пленки, в частности, дешевые подложки, которые являются экономически жизнеспособными в промышленном масштабе. Авторы изобретения искали возможность использования графитовых подложек, в частности графена, для нанесения на них полупроводниковых тонких пленок.
Идеальный графен представляет собой планарный лист, толщиной в один атом, из зр2-связанных атомов углерода, плотноупакованных в
сотообразной структуре кристаллической решетки. Кристаллическая или "чешуйчатая" форма графита состоит из множества графеновых листов, уложенных друг на друга. В последнее время графен привлек значительный интерес благодаря его благоприятным свойствам. Он является легким, прозрачным, к тому же очень прочным и электропроводным. Таким образом, его использование в качестве подложки для полупроводниковой тонкой пленки могло бы быть очень привлекательным.
В работе Jiang et al. Physical Review Letters, от 10 февраля 2012, исследуют тонкие пленки Sb2Te3 на графене. Эти пленки выращивают методом молекулярно-пучковой эпитаксии, и они являются полупроводниками из-за присущих им дефектов внутри пленки, или за счет легирующих добавок, полученных ими из графеновой подложки.
Однако авторы изобретения стремились получить полупроводники группы (lll)/(V) или (ll)/(VI), имеющие структуру, совершенно отличную от Sb2Te3. ЭЬгТез не имеет неподеленных пар электронов, поэтому не имеет межслоевой адгезии. Таким образом, подобно графиту, он является чешуйчатым, и только очень слабые силы Ван-дер-Ваальса удерживают один слой кристаллической структуры по отношению к следующему слою. Это "двухмерный" материал. Наличие тонкой пленки Sb2Te3 создает разнообразные трудности для нанесения тонкой пленки полупроводника по данному изобретению, который обладает неподеленными парами электронов, пригодными для формирования связей между слоями и для взаимодействия с подложкой. Таким образом, полупроводники по данному изобретению являются "трехмерными".
Данное изобретение относится к "трехмерным" материалам, так как полупроводники по данному изобретению обладают свободными неподеленными парами электронов и межатомными связями. При выращивании "трехмерной" кристаллической пленки на подложке важно, чтобы имело место соответствие параметров кристаллических решеток между подложкой и полупроводником, чтобы сформировать монокристаллическую пленку с высокими структурными, электронными и оптическими свойствами, пригодную для различных применений. Без этого соответствия параметров кристаллических решеток невозможно получить пригодную пленку. Таким образом, для данного изобретения соответствие параметров кристаллических
решеток является существенным, в то время как для Sb2Te3 оно является несущественным.
Так как графитовые подложки не имеют неподеленных пар электронов на поверхности, и обладают очень короткими длинами межатомных связей по сравнению с типичными полупроводниками, такими как кремний и GaAs, нет причин предполагать на них зародышеобразование и эпитаксиальный рост пленок. Как отмечено ниже, авторы изобретения неожиданно обнаружили, что может существовать превосходное соответствие параметров кристаллических решеток между графитовой подложкой и некоторыми полупроводниками, в зависимости от того, как расположены атомы полупроводника на поверхности графена. В альтернативном случае возможно близкое соответствие параметров кристаллических решеток между соответствующими элементами группы (II), (III), (V) или (VI) и графитовой подложкой.
При наличии соответствия параметров кристаллических решеток, применение молекулярно-пучковой эпитаксии дает превосходные результаты с точки зрения роста пленки. Неожиданно авторы изобретения обнаружили, что некоторые полупроводники группы (III/V) или (II/VI) обладают превосходным соответствием параметров кристаллической решетки по отношению к графену. В альтернативном случае можно использовать базовый слой с соответствием параметров кристаллической решетки для того, чтобы начать процесс роста тонкой пленки и, таким образом, дать возможность формировать тонкие пленки на графитовой подложке.
Сущность изобретения
Таким образом, с позиции одного из аспектов изобретение обеспечивает композицию, включающую пленку на графитовой подложке, причем указанная пленка эпитаксиально выращена на указанной подложке,
в которой указанная пленка содержит по меньшей мере одно соединение группы III-V, или по меньшей мере одно соединение группы II-VI, или соединение группы IV, предпочтительно по меньшей мере одно соединение группы III-V или по меньшей мере одно соединение группы II-VI.
С позиции другого аспекта изобретение обеспечивает способ получения пленки, эпитаксиально выращенной на графитовой подложке, включающий стадии:
(I) подачи элементов группы II-VI, или элементов группы III-V, или элементов группы IV, или элементов группы IV, на поверхность указанной графитовой подложки, предпочтительно посредством молекулярного пучка; и
(II) эпитаксиального роста пленки группы III-V, или группы II-VI, на поверхности графитовой подложки или соединения группы IV.
С позиции другого аспекта изобретение обеспечивает способ выращивания пленки на графитовой подложке, включающий стадии:
(I) обеспечения наличия на указанной подложке пленки базового слоя, причем указанная пленка базового слоя включает элемент или соединение, обладающее несоответствием параметров кристаллической решетки по отношению к кристаллической решетке графена, составляющее 2,5% или менее, предпочтительно 1% или менее;
(II) приведения указанной пленки базового слоя в контакт с элементами группы II-VI, или элементами группы III-V, предпочтительно с помощью молекулярного пучка так, чтобы вырастить пленку из элементов группы III-V или II-VI.
С позиции другого аспекта изобретение обеспечивает композицию, включающую пленку на графитовой подложке, где указанная композиция включает, в следующем порядке,
(a) графитовую подложку,
(b) пленку базового слоя, включающую элемент или соединение,
имеющее несоответствие параметров кристаллической решетки по отношению
к кристаллической решетке графена, составляющее 2,5% или менее, 1% или
менее; и
(c) пленку, содержащую соединение группы III-V, или соединение группы
II-VI, или соединение группы IV, предпочтительно соединение группы III-V или
соединение группы II-VI.
С позиции другого аспекта изобретение обеспечивает композицию, включающую пленку на графитовой подложке, где указанная композиция включает, в следующем порядке,
(а) графитовую подложку,
(b) пленку базового слоя, включающую GaSb, InAs, AsSb, GaN, SbBi, AlAs, AlSb, CdSe или Sb, предпочтительно GaSb, InAs, AsSb, GaN, SbBi или Sb; и
(c) пленку, включающую соединение группы III-V, или соединение группы II-VI, или соединение группы IV, предпочтительно соединение группы III-V или соединение группы II-VI.
Необязательно, поверхность графитовой подложки можно химически/физически модифицировать, для улучшения эпитаксиального роста пленок.
С позиции другого аспекта изобретение обеспечивает устройство, например, электронное устройство, включающее композицию, определенную ранее в тексте данного описания, например, солнечный элемент.
С позиции другого аспекта изобретение обеспечивает применение молекулярно-пучковой эпитаксии для выращивания по меньшей мере одной пленки на графитовой подложке, как определено выше.
Определения
Под соединением группы III-V подразумевают соединение, включающее по меньшей мере один ион из группы III и по меньшей мере один ион из группы V. Подобным образом, соединение группы II-VI - это соединение, включающее по меньшей мере один ион группы II и по меньшей мере один ион группы VI. В настоящем описании термин группа (II) охватывает периоды обеих классических групп (На) и (lib), то есть семейство щелочноземельных элементов и семейство Zn. Может присутствовать более чем один ион из каждой группы, например InGaAs (то есть трехкомпонентное соединение) и т.д. Также могут присутствовать четырехкомпонентные соединения и т.д.
Соединение IV группы представляет собой соединение, включающее два или более элементов из группы IV, то есть предпочтительно С, Si или Ge, например SiC. Во всех примерах воплощения пленка предпочтительно представляет собой пленку, включающую соединение группы III-V или соединение группы II-VI.
Графитовые подложки представляют собой подложки, состоящие из единственного или многочисленных слоев графена или его производных. Термин графен относится к планарному листу из связанных эр2-связями атомов
углерода в сотообразной кристаллической структуре. Производными графена являются графены с модифицированной поверхностью. Например, к поверхности графена можно присоединить атомы водорода, с получением графана. Другим вариантом является хлорографен. Графен с атомами кислорода, присоединенными к поверхности наряду с атомами углерода и водорода, называют оксидом графена. Модифицировать поверхность можно также химическим легированием или обработкой кислородной/водородной плазмой.
Термин эпитаксия происходит от греческих корней "эпи", что означает "над, выше", и "таксис", что означает "упорядоченным образом". Атомная организация пленки основана на кристаллографической структуре подложки. Это термин, широко используемый в данной области. "Эпитаксиальный рост" означает, в тексте данного описания, рост на подложке пленки, которая воспроизводит ориентацию подложки.
Молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ) представляет собой способ формирования отложений на кристаллических подложках. Процесс МПЭ осуществляют путем нагревания кристаллической подложки в вакууме так, чтобы активировать структуру кристаллической решетки подложки. Затем пучок (пучки) с некоторой атомной или молекулярной массой направляют на поверхность подложки. Как предполагают, применяемый выше термин элемент охватывает применение атомов, молекул или ионов этого элемента. Когда направленные атомы или молекулы поступают на поверхность подложки, эти направленные атомы или молекулы сталкиваются с активированной кристаллической структурой подложки. Процесс МПЭ более подробно описан ниже. Со временем поступающие атомы образуют пленку.
Образующаяся на подложке пленка предпочтительно является непрерывной. Таким образом, ее нельзя рассматривать как ряд дискретных пластин; скорее пленка образуется по части поверхности подложки, например, по меньшей мере по 50% поверхности подложки. Однако, как дополнительно обсуждают далее, пленку можно также осаждать в отверстиях маски.
Степень несоответствия параметров кристаллической решетки измеряют относительно любого параметра решетки графена по любому параметру кристаллической решетки полупроводника, как разъяснено ниже. Если полупроводниковое соединение или элемент имеет параметр кристаллической
решетки, который не более чем на 1% отличается от одного из параметров кристаллической решетки графена, то этот полупроводник пригоден для применения в качестве базового слоя в данном изобретении, и его также можно наносить непосредственно на графитовую подложку.
Авторы изобретения считают, что для получения близких кристаллических решеток несоответствие должно составлять до 1%; почти совершенное совпадение параметров кристаллической решетки предполагает несоответствие до 0,1 %.
Подробное описание изобретения
Изобретение относится к эпитаксиальному росту тонких пленок на графитовой подложке. Композиция по данному изобретению включает как подложку, так и выращенные на ней пленки, и, возможно, основание.
Наличие эпитаксиально выращенной пленки обеспечивает сформированному материалу однородность, которая может улучшить различные конечные свойства, например, механические, оптические или электрические свойства.
Эпитаксиальные пленки можно вырастить из газообразных или жидких предшественников. Поскольку подложка действует как затравочный кристалл, осажденные предшественники могут принимать структуру и ориентацию кристаллической решетки, идентичные структуре и ориентации подложки. Это отличается от других способов нанесения тонких пленок, при которых наносят поликристаллические или аморфные пленки, даже на монокристаллических подложках.
В данном изобретении подложка представляет собой графитовую подложку, а более конкретно - графен. Как используют в тексте данного описания, термин графен относится к планарным листам из соединенных sp2-связями атомов углерода, которые плотно упакованы в сотообразной (гексагональной) кристаллической решетке. Графеновые подложки должны содержать не более 10 слоев графена или его производных, предпочтительно не более 5 слоев (что называют графеном с малым количеством слоев). Особенно предпочтительно, он представляет собой планарный слой графена толщиной в один атом углерода.
Кристаллическая или "чешуйчатая" форма графита состоит из множества графеновых листов, уложенных друг на друга (то есть более 10 листов). Таким образом, под графитовой подложкой подразумевают подложку, сформированную из одного или множества графеновых листов.
Предпочтительно, чтобы подложка имела толщину 20 нм или менее. При образовании графита, графеновые листы уложены друг на друга, с межплоскостным расстоянием 0,335 нм. Подложка предпочтительно содержит лишь небольшое количество таких слоев, и в идеале может иметь толщину менее 10 нм. Еще более предпочтительно, она может иметь толщину 5 нм или менее. Площадь подложки не ограничена. Она может составлять 0,5 мм2 или больше, например, до 5 мм2 или еще больше, например, до 10 см2. Таким образом, площадь подложки ограничена только практической целесообразностью.
Ясно, что такую графитовую подложку может быть необходимо на что-то нанести, чтобы иметь возможность выращивать на ней пленки. Графеновый лист можно нанести на любой вид материалов, включая традиционные подложки для полупроводников, металлы и прозрачные стекла. Так, можно применять стекло или металлическую фольгу. Особенно предпочтительным является применение оксида кремния или какого-либо соединения Si, такого, как например SiC. Особенно предпочтительным примером воплощения является применение SiC.
Основа должна быть инертной. Можно также выращивать графитовую подложку непосредственно на металлической пленке, нанесенной на пластину из окисленного кремния, или непосредственно на металлических фольгах. Затем графитовые подложки можно отделять от металла путем травления и легко переносить на любые другие материалы.
В одном из весьма предпочтительных примеров воплощения графитовая подложка представляет собой слоистую подложку, отделенную от первичного графита (Kish graphite); или в высокой степени упорядоченный пиролитический графит. В альтернативном случае это может быть графеновая подложка, выращенная химическим осаждением из паровой фазы на металлических пленках или фольгах, изготовленных, например, из Си, Ni ИЛИ Pt.
В то время как предпочтительно применять графитовую подложку без модификации, поверхность графитовой подложки может быть
модифицирована. Например, ее можно обработать водородной, кислородной, NO2 плазмой или их сочетаниями. Возможна также обработка азотом. Окисление подложки могло бы улучшить зародышеобразование пленки. Также может быть предпочтительным предварительно обработать подложку, например, для обеспечения чистоты перед выращиванием пленки. Возможна обработка сильной кислотой такой, как например HF или буферной HF (Buffered Oxide Etchant, ВОЕ). Подложки можно промыть изопропанолом, ацетоном или н-метил-2-пирролидоном, для устранения поверхностных загрязнений.
Очищенную графитовую поверхность можно дополнительно модифицировать путем легирования. На стадии легирования можно применять раствор FeCb, АиС1з или GaCb. В идеале применяемая графитовая подложка должна быть хорошим проводником. Любые находящиеся в подложке примеси могут быть извлечены в формирующуюся пленку полупроводника, а это может не быть предпочтительным. Этого процесса можно избежать, если подложка не содержит примесей.
Так как целью изобретения являются тонкие пленки, также важно, чтобы графитовая подложка была гладкой. Она не должна включать границ зерен, и предпочтительно на поверхности может присутствовать только один тип помещенных друг на друга графеновых слоев из возможных типов А, В или С. Если на поверхности присутствуют более одного из типов А, В или С помещенных друг на друга графеновых слоев, то различные участки растущей пленки могут не соответствовать друг другу, таким образом вызывая образование дефектов в формирующейся пленке.
В высокой степени гладкие структуры графеновых подложек описаны в литературе, например, в работе Virojanadara, С; Yakimova, R.; Zakharov, А.А.; Johansson, L.I, Large homogeneous mono-/bi-layer grapheme on 6H-SiC(0001) and buffer layer elimination; J.Phys. D: Appl. Phys. 2010, 43, 374010. Предпочтительными являются такие основы, как SiC и Si.
Применение графитовых подложек, в идеале тонких графитовых подложек, является в высокой степени преимущественным в данном изобретении, так как они являются тонкими, но очень прочными, легкими и гибкими, в высокой степени электропроводными и теплопроводными. Они являются прозрачными при малых толщинах, которые предпочтительно используют в данном изобретении; они непроницаемы и инертны.
Полупроводниковые пленки
Для получения тонких пленок, обладающих коммерческой ценностью, существенно, чтобы они росли на подложке эпитаксиально. В данном изобретении этого достигают, обеспечивая превосходное соответствие параметров кристаллической решетки между графеновой подложкой и тонкой пленкой, или, возможно, посредством соответствия параметров кристаллической решетки пленки базового слоя, как подробно описано ниже.
Идеально, если рост пленки происходит в направлении [111] (для кубической кристаллической структуры) или [0001] (для гексагональной кристаллической структуры). Как отмечено выше, возможность этого не гарантирована для конкретной подложки, если этот материал подложки отличается от выращиваемой пленки. Однако авторы изобретения установили, что эпитаксиальный рост на графитовых подложках возможен путем установления возможного соответствия параметров кристаллических решеток атомов в пленке полупроводника и атомов углерода в листе графена.
Длина связи углерод-углерод в графеновых слоях составляет примерно 0,142 нм. Графен имеет гексагональную геометрию кристалла. Авторы изобретения неожиданно обнаружили, что графитовые подложки могут обеспечить подложку, на которой можно вырастить полупроводниковые пленки, поскольку несоответствие параметров кристаллических решеток между материалом растущей пленки и графитовой подложкой может быть очень малым.
Авторы изобретения обнаружили, что, благодаря гексагональной симметрии графитовой подложки и гексагональной симметрии атомов полупроводника в плоскостях (111) пленки, растущей в направлении [111], при кубической кристаллической структуре (или в плоскостях (0001) пленки, растущей в направлении [0001] при гексагональной кристаллической структуре), можно достичь соответствия параметров кристаллических решеток между растущими пленками и подложкой.
Фиг. 1 а-1 d изображают четыре различные гексагональные структурные конфигурации атомов полупроводника в плоскостях (111) (или (0001)) пленки полупроводника поверх гексагональной кристаллической решетки атомов углерода в графеновом слое, расположенные таким образом, что не возникает несоответствия параметров кристаллических решеток. В качестве возможных
активных положений адсорбции полупроводника поверх графена авторы рассматривают следующие: 1) над центром гексагональных углеродных колец графена (Н-положение), и 2) над мостиком между атомами углерода (В-положение), как указано стрелками на Фиг. 1а.
Чертежи изображают идеализированное, с соответствием параметров кристаллических решеток, расположение атомов полупроводника в плоскостях (111) для кубического кристалла (в плоскостях (0001) для гексагонального кристалла), когда атомы помещены в положениях 1) Н и В (Фиг. 1а, 1Ь и 1d) и 2) Н или В (Фиг. 1с). Пунктирные линии подчеркивают гексагональную симметрию кристаллической решетки атомов полупроводника в плоскости (111). Относительные вращения этих шестиугольников для каждого расположения атомов обозначены в верхней части каждого чертежа. Для (Фиг. 1 а) и (Фиг. 1 d) возможны две относительных ориентации, ±10,9° и ±16,1°, соответственно (на изображениях показаны только +вращения).
Фиг. 1е изображает параметры кристаллической решетки искусственно приведенных в соответствие кристаллических решеток для расположений атомов в случаях (а), (Ь), (с) и (d). Пунктирные и сплошные линии соответствуют гексагональной (а-i) и кубической (а = a-i х V2) кристаллическим фазам этих решеток, соответственно. Квадрат (¦) и шестиугольник представляют, соответственно, кубическую и гексагональную фазы для Si, ZnO и двухкомпонентных III-V полупроводников.
Если атомы полупроводника помещены над чередующимися положениями Н- и В-, как показано на Фиг. 1а, можно получить строгое соответствие параметров кристаллических решеток, если параметр кристаллической решетки, а, кубического кристалла полупроводника (параметр кристаллической решетки, а, определяют как длину боковой грани кубической элементарной ячейки) равен 4,607 А. Существуют несколько двухкомпонентных полупроводников с кубической структурой, имеющих параметры кристаллической решетки, близкие к этой величине; при этом наиболее близкое значение у AIN (а = 4,40 А) и GaN (а = 4,51 А). Для гексагональных кристаллов полупроводника точное соответствие параметров кристаллических решеток будет достигнуто, если параметр кристаллической решетки, а <\, равен 3,258 А. Существуют несколько двухкомпонентных полупроводников с гексагональной структурой, имеющих параметры кристаллической решетки, близкие к этой
величине; при этом наиболее близкое значение у кристаллов SiC (a-i = 3,07 А), AIN (a-i =3,11 A), GaN (a-i = 3,19 А) и ZnO (a-i = 3,25 А).
Если атомы полупроводника помещены над чередующимися позициями Н- и В-, как показано на Фиг. 1Ь, точное соответствие параметров кристаллических решеток можно получить, если параметр кристаллической решетки, а, кристалла полупроводника с кубической структурой равен: 1,422 А х 3/2 х л/б = 5,225 А. Это близко к параметру кристаллической решетки GaP (а = 5,45 A), AIP (а = 5,45 A), InN (а = 4,98 А) и ZnS (а = 5,42 А). Для гексагональных кристаллов полупроводника точное соответствие параметров кристаллических решеток будет получено, если параметр кристаллической решетки, a-i, равен: 1,422 А х 3/2 х л/3 = 3,694 А. Это близко к параметрам ai кристаллической решетки гексагональных форм кристаллов InN (ai = 3,54 А) и ZnS (ai = 3,82 А).
Для атомной конфигурации, подобной приведенной на Фиг. 1с, точное соответствие параметров кристаллических решеток можно получить, если параметр кристаллической решетки, а, кубического кристалла полупроводника равен: 1,422 А (расстояние между атомами углерода) х 3 х V2 = 6,033 А. Это близко к параметрам кристаллической решетки полупроводниковых кристаллов соединений группы III-V, таких, как InAs, GaAs, InP, GaSb, AlSb и AlAs, и соединений II-VI, таких, как, полупроводниковых кристаллов MgSe, ZnTe, CdSe и ZnSe. В частности, это близко к параметру кристаллической решетки полупроводниковых кристаллов соединений группы III-V, например, InAs (а = 6,058 A), GaSb (а = 6,096 А) и AlSb (а = 6,136 А), а также соединений II-VI, например ZnTe (а = 6,103 А) и CdSe (а = 6,052 А).
Для гексагональных полупроводниковых кристаллов точное соответствие параметров кристаллических решеток можно получить, если параметр кристаллической решетки, a-i, равен: 1,422 А (расстояние между атомами углерода) х 3 = 4,266 А. Это близко к параметрам a-i кристаллической решетки гексагональных форм материалов II-VI - кристаллов CdS (ai = 4,160 А) и CdSe (а <\ = 4,30 А), что означает, что трехкомпонентный полупроводник CdSSe может обеспечить идеальное соответствие параметров кристаллической решетки при определенной мольной доле S.
Если атомы полупроводника помещены над чередующимися положениями Н- и В-, как показано на Фиг. 1d, точное соответствие параметров кристаллических решеток можно получить, если параметр кристаллической
решетки, а, кубического полупроводникового кристалла равен 6,28 А. Это близко к параметру кристаллической решетки InSb (а = 6,479 А), МдТе (а = 6,42 А) и CdTe (а = 6,48 А).
Идеальное соответствие параметров кристаллических решеток могут обеспечить некоторые трехкомпонентные соединения, такие как, например, InGaSb, InAsSb и AllnSb, а также некоторые четырехкомпонентные соединения, такие как InGaAsSb и AllnAsSb. Для гексагональных полупроводниковых кристаллов точного соответствия параметров кристаллических решеток можно достичь, если параметр кристаллической решетки, a-i, равен 4,44 А. Это близко к параметрам a-i кристаллической решетки гексагональных форм кристаллов InSb ^ = 4,58 A), MgTe fa = 4,54 А) и CdTe fa = 4,58 А).
Не желая ограничиваться теорией, ввиду гексагональной симметрии атомов углерода в графитовых слоях и гексагональной симметрии атомов кубических или гексагональных полупроводников в кристаллографическом направлении [111] и [0001], соответственно, можно получить близкое соответствие параметров кристаллических решеток между графитовой подложкой и полупроводником, когда атомы полупроводника помещают над атомами углерода графитовой подложки, в идеале в виде шестиугольников. Это является новой и неожиданной находкой, и может позволить осуществить эпитаксиальный рост пленок на графитовых подложках.
Четыре различных гексагональных расположения атомов полупроводника, описанные выше, могут позволить вырастить полупроводниковые пленки из таких материалов.
В то время как в идеале несоответствия параметров кристаллических решеток между растущей пленкой и подложкой отсутствуют, возможны небольшие несоответствия параметров кристаллических решеток. Пленки по изобретению в идеале имеют несоответствие параметров кристаллических решеток с подложкой примерно до 1%. Более предпочтительно несоответствия параметров кристаллических решеток должны составлять 0,5% или менее, например, 0,25% или менее. Эти величины применимы к любой толщине пленки. Значения соответствия параметров кристаллической решетки можно рассчитать на основе знания кристаллической структуры рассматриваемого полупроводника и информации, приведенной выше. Если полупроводник может расти в форме с параметром кристаллической решетки, который удовлетворят
любому из расположений атомов, изображенных на Фиг. 1 а-1 d для его плоскости (111) в случае кубического кристалла, или для его плоскости (0001) в случае гексагонального кристалла, имеется приемлемое соответствие параметров кристаллической решетки. Чтобы избежать сомнений, следует рассчитывать соответствие параметров кристаллических решеток для всей пленки, присутствующей на подложке.
Однако следует отметить, что успех способа по изобретению зависит, до некоторой степени, от толщины пленки. Так, средняя величина относительной деформации для общей толщины пленки 100 нм обычно должна составлять менее 0,5%. Средняя величина относительной деформации для общей толщины пленки 0,5 мкм обычно должна составлять менее 0,2%. Средняя величина относительной деформации для общей толщины пленки 1 мкм обычно должна составлять менее 0,15%. Средняя величина относительной деформации для общей толщины пленки 5 мкм обычно должна составлять менее 0,1%. Следовательно, для того, чтобы избежать дефектов в более толстых пленках, предпочтительно, чтобы несоответствие параметров кристаллических решеток было как можно меньшим.
Для некоторых двухкомпонентных полупроводников, таких как кубический InAs (а = 6,058 А), кубический GaSb (а = 6,093 А), кубический CdSe (а = 6,052 А) и гексагональный CdSe (ai = 4,30 А), несоответствие параметров кристаллических решеток является таким малым ( <~1%), что можно ожидать превосходного роста этих двухкомпонентных полупроводников для толщин пленок до нескольких десятков нанометров. Однако, по мере того, как пленка становится толще, может быть необходимо применять технологии выращивания с компенсацией напряжений, чтобы снизить энергию деформации и избежать появления в кристалле таких дефектов, как дислокации. Таким образом, по существу можно достигать толщин пленок вплоть до критической толщины без риска образования дефектов. Эта величина составляет порядка 30 нм для несоответствия параметров кристаллических решеток 1,0%, и порядка 100 нм для несоответствия 0,5%. Таким образом, за пределами критической толщины могут потребоваться технологии получения сверхрешетки или другие полупроводниковые материалы, например, трех- или четырехкомпонентные полупроводники.
Конечно, из-за их природы, параметрами кристаллической решетки трехкомпонентных, четырехкомпонентных и т.д. соединений можно управлять путем изменения относительного количества каждого из присутствующих элементов. Параметры кристаллической решетки этих соединений можно установить на определенное значение, регулируя состав этих соединений. Таким образом, применение трехкомпонентных и четырехкомпонентных полупроводниковых соединений является предпочтительным, если желательно получить более толстые пленки, например более 100 нм. Устройства могут потребовать общей толщины пленки порядка 5 мкм, обычно от 1 до 10 мкм.
Для выращиваемых на подложке пленок в объем данного изобретения входят пленки, включающие множество слоев соединений различных групп (lll)(V) или (ll)(VI). Таким образом, трехкомпонентный или четырехкомпонентный полупроводник может быть выращен на двухкомпонентном полупроводнике.
Другие пленки, состоящие из нескольких слоев, можно получить при использовании компенсирующих технологий роста, например, напряженных сверхрешеток. Если пленка содержит сверхрешетки, каждый слой сверхрешетки мог бы иметь более 1% деформации при применении компенсации напряжений, так что средний параметр кристаллической решетки для сверхрешетки в целом соответствует параметру кристаллической решетке графитовой подложки.
Такие технологии выращивания с компенсацией известны специалистам.
Однако следует понимать, что для некоторых сочетаний полупроводников может существовать слишком большое несоответствие между параметром кристаллической решетки полупроводника и параметром кристаллической решетки графена, чтобы можно было успешно вырастить пленку. При таких обстоятельствах может быть невозможно вырастить такой полупроводник непосредственно на графитовой подложке.
Базовый слой
Чтобы позволить получать другие полупроводниковые пленки и максимизировать возможности данного изобретения, авторы данного изобретения предлагают применять промежуточный (или базовый) слой между тонкой пленкой полупроводника и подложкой. Этот способ предпочтительно применяют, когда невозможно привести в соответствие параметры
кристаллических решеток полупроводника и графитовой подложки, или если по каким-либо причинам конкретный полупроводник не образует тонкую пленку непосредственно на графитовой поверхности, например, вследствие того, что ни один из его компонентов не обладает достаточными поверхностно-активными характеристиками, чтобы покрывать графитовую поверхность.
Этот промежуточный слой представляет собой слой, соответствующий по параметрам кристаллической решетке; и, таким образом, он образует своего рода поверхностно-активное вещество между слоем тонкопленочного полупроводника и графитовой подложкой. Материал базового слоя, который может быть элементом или соединением, имеет несоответствие параметров кристаллической решетки с графеном 2,5% или менее, предпочтительно 1% или менее. Например, несоответствие параметров кристаллической решетки между (111) ориентированной Sb (ромбоэдрический А7) и графеном составляет 1,0%, когда атомы Sb расположены только над положениями Н, только над положениями В или только над положениями Т. GaSb также имеет 1,0% несоответствие параметров кристаллической решетки с графеном. InAs имеет 0,43% несоответствие параметров кристаллической решетки с графеном. Этот базовый слой должен иметь толщину всего в несколько атомных слоев.
При использовании базового слоя, который сам по себе является "трехмерным", этот слой обеспечивает неподеленные электронные пары, благодаря которым может начаться рост слоя полупроводника. Благодаря использованию базового слоя получают адгезию к "двумерной" подложке.
Базовый слой предпочтительно представляет собой элемент группы V или сплав соединений групп III-V, таких, как, например GaSb, InAs, AsSb, SbBi или Sb. Также можно использовать AlSb. Сплав As(0,077) - Sb(0,923) должен полностью соответствовать параметрам кристаллической решетке графена, в конфигурации Фиг. 1(c). (Где 0,077 представляет мольную долю As в сплаве). Подобным образом сплав Sb-Bi может соответствовать по параметрам кристаллической решетке конфигурации, приведенной на Фиг. 1(d).
Другой возможностью является трехкомпонентный, соответствующий по параметрам кристаллической решетке, базовый слой, например, слои на основе AlAsSb, AllnSb, InGaSb или AllnAs. Дополнительной возможностью является комбинация базовых слоев, таких, как, например слой элементарной Sb, на который нанесен трехкомпонентный слой, как описано выше. Слой Sb
может иметь толщину всего в один атом, хотя более вероятно этот слой может иметь толщину в два или три атома.
Дополнительной возможностью для базового слоя может быть CdSe или CdSSe. В одном из примеров воплощения CdSSe можно было вырастить на слое CdSe, с получением базового слоя.
Наиболее предпочтительным является применение в качестве базового слоя Sb. Sb, в виде (11 ^-ориентированных двойных слоев, или ромбоэдрическая, А7, Sb в высокой степени соответствует параметрам кристаллической решетке графена (несоответствие 1,0%). Базовый слой можно нанести на подложку с использованием технологий, подробно описанных ниже в связи с нанесением полупроводника.
Однако, когда базовый слой представляет собой Sb, предпочтительно, чтобы его наносили в мягких условиях, например при температуре ниже 200°С, предпочтительно от 100 до 135°С, или, например, при температуре ниже 325°С, предпочтительно от 200 до 300°С , в зависимости от интенсивности потока Sb4 или Sb2, который применяют при нанесении; при этом последние условия являются идеальными для Sb2.
Как отмечено выше, необходимо нанести лишь небольшое количество атомных слоев базового слоя (возможно только один атомный слой или два атомных слоя). В случае Sb минимальным был бы (11 ^-ориентированный двойной слой Sb. Следует учитывать, что нанесение одного атомного слоя Sb с последующим нанесением слоя Ga представляет собой то же самое, что и нанесение базового слоя GaSb и, следовательно, то же самое, что и выращивание GaSb непосредственно на графене. После нанесения базового слоя можно наносить пленку полупроводника. В случае применения базового слоя может случиться так, что начальный рост пленки полупроводника происходит при более низкой температуре, подобной той, которую применяли для нанесения элемента группы V (или сплава элемента группы V, и т.д.). Третья стадия может затем включать нанесение пленки (пленок) III-V при более высокой температуре, типичной для обычного эпитаксиального роста рассматриваемого соединения III-V. Вторая вышеуказанная стадия является предпочтительной для того, чтобы избежать десорбции элемента группы V (или сплава элемента группы V) в ходе третьей стадии.
Может случиться так, что для выращивания сверхрешетки на графитовой подложке потребуется базовый слой, например, из Sb, GaSb или InAs, если каждый слой сверхрешетки имеет слишком высокое напряжение для того, чтобы можно было вырастить его непосредственно на графене. Также можно использовать AlSb (несоответствие параметров кристаллических решеток 1,7%).
Базовый слой также может быть "сверхрешеткой" с чередующимися атомными слоями [плоскости (111)] Sb и Bi. Эта сверхрешетка может создавать близкое соответствие параметров кристаллических решеток до "а!" на Фиг. 1(e) и, таким образом, обеспечивает подложку с параметром кристаллической решетки, в которой отсутствуют бинарные подложки, применяемые в настоящее время.
Полупроводники
Полупроводниковые пленки по изобретению формируют из по меньшей мере одного соединения III-V, или по меньшей мере одного соединения II-VI, или соединения группы IV, такого, как, например SiC.
Элементами группы II являются Be, Mg, Са, Zn, Cd и Hg. В данном случае предпочтительными вариантами являются Zn и Cd.
Вариантами группы III являются В, AI, Ga, In и TI. В данном случае предпочтительными вариантами являются Ga, AI и In.
Вариантами группы V являются N, Р, As, Sb. Все они являются предпочтительными.
Варианты группы VI включают О, S, Se и Те. Предпочтительно использовать О, Se и Те.
Предпочтительным является получение пленки группы III-V. Следует понимать, что любое соединение, которое образуется при росте пленки, не обязательно будет полностью стехиометрическим, так как существует возможность легирования, как это описано ниже.
Предпочтительные двухкомпонентные соединения для получения пленок включают InAs, GaAs, AlAs, InP, GaP, AIP, InSb, GaSb, AlSb, ZnTe, CdSe и ZnSe. В объем изобретения входит выращивание чередующихся тонких слоев (толщиной порядка 1 нм или нескольких нм) из двухкомпонентных полупроводников, так, что электронные свойства и усредненный параметр
кристаллической решетки этой тонкой пленки в целом соответствовали подложке. В высокой степени предпочтительным является применение GaSb или InAs. Другие возможности включают ZnO и AlSb. Предпочтительно, чтобы в пленке не было AIN.
В то время как применение двухкомпонентных материалов является возможным, предпочтительным является выращивание трехкомпонентных или четырехкомпонентных пленок, или даже пятикомпонентных пленок. Особенно предпочтительными возможностями являются InGaAs, InAIAs, InAsP, InPSb, InAsN, InPN, InSbN, GalnSb, GaAsN, GalnN, GaPN, GaSbN, AllnSb, AlAsSb, AlSbP, AlInN, AIPN, AlAsN, AISbN, InGaAsSb, AIGaAsSb и InGaAsN, поскольку эти соединения можно вырастить полностью соответствующими параметрам кристаллической решетке графена, и они пригодны для ряда устройств. Следует понимать, что в трехкомпонентных, четырехкомпонентных и т.д. материалах относительные количества каждого иона могут быт различными.
Таким образом, трехкомпонентные соединения могут иметь формулу XYZ, где X представляет собой элемент III группы, Y представляет собой элемент III или V группы, отличный от X и Z, a Z представляет собой элемент V группы. Мольное отношение X к Y или Y к Z в XYZ предпочтительно составляет от 0,2 до 0,8, то есть формула предпочтительно представляет собой XxY-i_xZ (или XY-i-xZx), где нижний индекс х равен от 0,2 до 0,8. Четырехкомпонентные системы могут быть представлены формулой AxBi.xCyDi.y, где А и В представляют собой элементы III группы, а С и D представляют собой элементы V группы. И снова нижние индексы х и у обычно составляют от 0,2 до 0,8. Другие опции будут понятны для специалиста.
В объем данного изобретения входит возможность легировать пленки. Легирование обычно включает введение в пленку ионов примесей. Их можно вводить на уровне до 1019/см2, предпочтительно до 1018/см2. Пленки могут быть нелегированными, р-легированными или n-легированными, по желанию. Легированные полупроводники обладают примесной электропроводностью, в то время как нелегированные полупроводники обладают собственной электропроводностью.
Полупроводники с примесной проводимостью, с концентрацией электронов, превышающей концентрацию дырок, известны как полупроводники n-типа. В полупроводниках n-типа электроны представляют собой основные
носители заряда, а дырки представляют собой неосновные носители заряда. Полупроводники n-типа получают путем легирования полупроводника с собственной проводимостью донорными примесями. Подходящими донорами для соединений III-V могут быть, например, Si и Те. Подходящими донорами для полупроводников группы IV могут быть, например, Р и As.
Полупроводники р-типа имеют концентрацию дырок, превышающую концентрацию электронов. Фраза "р-типа" относится к положительному заряду дырки. В полупроводниках р-типа дырки являются основными носителями заряда, а электроны - неосновными носителями. Полупроводники р-типа создают путем легирования полупроводников с собственной проводимостью акцепторными примесями. Подходящими акцепторами для соединений III-V могут быть, например, Be и Zn. Подходящими акцепторами для полупроводников группы IV может быть, например, В. Следует понимать, что тот факт, будет ли примесь действовать как донор или как акцептор в соединении III-V, в некоторых случаях будет зависеть от ориентации растущей поверхности и условий роста. Легирующие добавки можно вводить в ходе процесса роста или путем имплантации иона в пленки после их образования. Легирование можно также осуществлять, позволяя примесям из подложки проникать в пленку полупроводника.
Предпочтительные пленки по изобретению будут содержать легирующие добавки.
После того, как рост пленки на графеновой подложке установился, нет реальных ограничений для манипуляций, которые можно провести. Различные слои пленки можно добавлять, просто изменяя природу присутствующих атомов. Например, если рост пленки установился, при использовании соответствующих технологий легирования возможно также вырастить верхний слой пленки, в котором присутствует "р-i-n" или "n-i-р" структура. Таким образом, изначально пленка могла бы быть р-легированной, перед тем как наносят нелегированный слой с собственной проводимостью и п-легированный слой (или наоборот).
Можно понять, что возможно легирование только части/частей пленки, например, с использованием имплантации ионов для конкретных компонентов. Таким образом, легирование можно проводить после выращивания пленки.
Пленки
Пленки, выращенные по изобретению, могут иметь толщину от 250 нм до нескольких микрон, например от 0,5 до 10 микрон, более предпочтительно от 1 до 5 микрон. Площадь поверхности пленок ограничена только устройством, применяемым для нанесения пленок, и размером подложки. Площадь поверхности может также определяться размером отверстий, в которых выращивают пленку, как дополнительно описано ниже.
Толщину пленок часто регулируют посредством продолжительности времени, в течение которого идет процесс выращивания. Более длительный процесс обычно приводит к более толстой пленке.
Базовый слой, когда он присутствует, может иметь толщину в один или два атомных слоя, например, 2 А или более вплоть до десятков нанометров, в зависимости от природы базового слоя и природы тонкой пленки, выращенной поверх этого базового слоя.
Нанесение/рост пленки/базового слоя
Прежде всего рассмотрим прямое нанесение пленок по изобретению на графитовую подложку. Пленки по изобретению растут эпитаксиально на подложке или базовом слое. Они соединены с нижележащей графитовой подложкой посредством ковалентных, ионных или квази-Ван-дер-Ваальсовых связей. Соответственно, в месте соединения подложки и пленки кристаллические плоскости образуются эпитаксиально. Они формируются, одна на другой, в одном и том же кристаллографическом направлении, таким образом предоставляя возможность эпитаксиального роста пленки.
Пленки по изобретению предпочтительно должны расти в направлении [111] для пленок с кубической кристаллической структурой, и в направлении [0001] для пленок с гексагональной кристаллической структурой. И плоскость (111), и плоскость (0001) представляют собой одну и ту же (гексагональную) плоскость пленки; это как раз тот случай, когда номенклатура плоскости изменяется в зависимости от кристаллической структуры растущей пленки.
Предпочтительно пленки выращивают с помощью молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ). В то время, как в область изобретения входит в качестве способа осаждения из паровой фазы, который должны применять, например, химическое осаждение из паровой фазы, особенно химическое осаждение из
паровой фазы металлорганического соединения, или эпитаксия из паровой фазы металлорганического соединения, применение МПЭ является в высокой степени предпочтительным.
В этом способе на подложку направляют молекулярный пучок каждого реагента, например, элемента группы III и элемента группы V, которые предпочтительно подают одновременно. Однако может быть предпочтительным начинать процесс нанесения с использованием одного реагента за раз. Таким образом, первый слой может включать нанесение Sb, с последующим нанесением Ga. Первый слой может включать нанесение In, с последующим нанесением As, или наоборот. Процесс нанесения может включать рост AlSb, предпочтительно Sb, а не AI. После того, как нанесены оба реагента, и каждый из них образовал атомный слой, из этих двух реагентов будет образовываться соединение. Это чередующееся нанесение можно повторить, один или большее число раз (а можно и не повторять). После этого оба иона можно подавать одновременно, и пленка будет продолжать расти. Перед выращиванием пленки в традиционном режиме МПЭ с элементами групп III-V температуру подложки может быть необходимо повысить.
В случае технологии МПЭ более высокой степени контроля зародышеобразования и роста пленок на графитовой подложке можно достичь путем использования миграционно-стимулированной эпитаксии (МСЭ), когда элементы группы (III) (V) подают попеременно, без перерыва; или молекулярно-пучковой эпитаксии атомных слоев, когда, например, элементы групп III и V можно подавать попеременно, с выдержкой между ними.
Предпочтительной технологией является МПЭ с твердым источником, при которой очень чистые элементы, такие, как, например, галлий и сурьму, нагревают в раздельных эффузионных ячейках до тех пор, пока они не начинают медленно испаряться (например, галлий) или сублимировать (например, сурьма). Затем газообразные элементы конденсируются на подложке, где они могут реагировать друг с другом. В примере с галлием и сурьмой образуется монокристаллический антимонид галлия. Использование термина "пучок" означает, что испарившиеся атомы (например, галлий) или молекулы (например, Sb4 или Sb2) не реагируют друг с другом, или с находящимися в вакуумной камере газами, до тех пор, пока они не достигнут подложки.
При использовании МПЭ можно также легко ввести и легирующие ионы. Фиг. 2 представляет возможную общую компоновку процесса МПЭ.
Молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ) происходит в сверхглубоком вакууме, обычно с остаточным давлением около 133x10"10 - 133x10"9 Па (10"1° -10"9 торр). Обычно пленки выращивают медленно, например со скоростью до нескольких, например около 2, мкм в час. Это позволяет пленкам расти эпитаксиально и максимизирует структурные характеристики.
Температура роста для традиционной полупроводниковой пленки II-VI или III-V может находиться в диапазоне от 300 до 700°С. Для выращивания базового слоя необходимы значительно более низкие температуры, которые обычно составляют около 130°С. Однако применяемая температура зависит от природы материала пленки, ориентации поверхности и применяемых потоков элементов III и V. Для выращивания GaAs на (001) поверхности GaAs предпочтительной температурой является 580-630°С, например 590°С. Для выращивания GaAs на (111) поверхности GaAs, например, на поверхности GaAs(111)B, предпочтительна более высокая температура, например 530°С или выше, такая как 610°С или выше. Для InAs и GaSb этот диапазон ниже, например, 430-540°С, например 450°С для роста InAs на (001) поверхности InAs, и 465°С для роста GaSb на (111) поверхности GaSb. Рост GaSb на (001) поверхности GaSb может происходить при 490°С. Подходящие температуры могут быть определены специалистом.
Рост пленки можно инициировать путем открытия затвора эффузионной ячейки Ga/ln и затвора и/или клапана эффузионной ячейки противоиона (например, мышьяка или сурьмы), одновременно (непрерывное (аналоговое или цифровое) МПЭ выращивание) или попеременно (миграционно-стимулированная эпитаксия, молекулярно-пучковая эпитаксия атомных слоев).
Для регулирования скорости роста можно использовать температуру эффузионных ячеек. Обычные скорости роста составляют 0,05 - 2 мкм в час, например 1 мкм в час.
Эквивалентное давление в пучке (поток) в молекулярных пучках также можно регулировать, в зависимости от природы выращиваемой пленки. Допустимые уровни эквивалентных давлений в пучке составляют от 133x10"8 до 133x10"5 Па (от 1 х10"8 до 1 х10"5 торр).
Отношение потоков реагентов в пучке (например, атомов группы III и молекул группы V) можно изменять, при этом предпочтительное отношение потоков в пучке зависит от других параметров роста и от природы выращиваемой пленки.
Существенное преимущество МПЭ заключается в том, что растущую пленку можно анализировать in situ, например с использованием дифракции отраженных электронов высоких энергий (ДОЭВЭ). Дифракция отраженных электронов высоких энергий представляет собой способ, который обычно используют для получения поверхностных характеристик кристаллических материалов. Этот способ нельзя применять с такой легкостью в случаях, если пленки получают другими способами, например, с помощью эпитаксии металлорганических соединений из паровой фазы.
Как отмечено выше, пленки по данному изобретению предпочтительно растут в виде кубических (структура цинковой обманки) или гексагональных (структура вюрцита) структур. Также в объем изобретения входит изменение природы образующего пленку материала в ходе процесса роста. Таким образом, при изменении природы молекулярных пучков в пленку можно было бы вводить участок иной структуры. Исходная пленка GaAs может быть продолжена участком пленки InAs, например, при замене подачи Ga на подачу In. Затем пленка GaAs/lnAs может быть продолжена участком пленки GaAs, при повторном изменении подачи на Ga, и т.д. Также в объем изобретения входит включение в пленку наноструктур в ходе процесса роста, например квантовых точек InAs или GaSb в матрице GaAs. Выращивание таких наноструктур известно специалисту. И опять, разрабатывая различные структуры с отличающимися электрическими свойствами, авторы изобретения предлагают пленки с интересными и регулируемыми электронными свойствами, которые изготовитель может подобрать для всевозможных конечных применений.
Если присутствует базовый слой, то этот базовый слой предпочтительно наносят с использованием одной из вышеописанных технологий, например, молекулярно-пучковой эпитаксии атомных слоев. После этого проводят формирование полупроводника, следуя вышеприведенным инструкциям.
В одном из примеров воплощения после того, как нанесена исходная пленка базового слоя элемента (часто это слой Sb), можно нанести второй слой элемента, обычно из другого материала, например, слой Ga. Может быть
полезно наносить попеременно атомные слои, например из Sb и Ga, перед началом роста желаемого полупроводника; но предпочтительно укладывают только один атомный слой Ga, и это является началом слоя GaSb, поверх которого можно вырастить, например, InAs или трехкомпонентные или четырехкомпонентные соединения.
Также может быть полезно сначала нанести потоки компонентов полупроводника по-отдельности. Таким образом, перед объединенным одновременным потоком для выращивания пленки можно использовать нанесение потока элемента (III), а затем элемента (V), или, в альтернативном случае, в обратном порядке.
Если применяют базовый слой, который чувствителен к теплу, например базовый слой из Sb, температуру можно увеличить до обычных температур эпитаксиального роста после того, как установился рост пленки III-V. Выращенная пленка полупроводника не обязательно должна быть такой же, как базовый слой, или содержать элемент (элементы) базового слоя.
Базовый слой или основную пленку можно легировать. После того, как начался рост пленки полупроводника, можно инициировать легирование. Если легирование присутствует, его следует начинать после того, как образовались несколько атомных слоев пленки. Это идеально введет в пленку омический контакт. Предпочтительной легирующей добавкой является Si или Те. В альтернативном случае легирующей добавкой может быть Be или Мд. Мд используют в качестве предпочтительной легирующей добавки для нитридов р-типа. Be используют в качестве предпочтительной легирующей добавки для арсенидов и антимонидов р-типа. Si используют в качестве предпочтительной легирующей добавки для арсенидов и нитридов n-типа, в то время как Те используют в качестве предпочтительной легирующей добавки для антимонидов п-типа.
Можно понять, что возможно проводить легирование только части/частей пленки, например, используя имплантацию ионов для конкретных компонентов. Таким образом, легирование может происходить при обработке после выращивания пленки.
В одном из примеров воплощения пленку можно вырастить на подложке, снабженной маской. Маска защищает подложку, но определяет рисунок отверстий, в которых предполагают вырастить пленку. Например, на
графитовую подложку можно наложить маску из диоксида кремния или оксида алюминия с рисунком отверстий в маске, через которые происходит рост пленки. После того, как произошло нанесение пленки, маску можно оставить на месте, частично удалить или полностью удалить, например, посредством травления, чтобы оставить на подложке серию тонких пленок, соответствующих положению отверстий в маске.
Применения
Пленки по изобретению имеют широкий диапазон применений. Они являются полупроводниками, поэтому можно предположить, что они могут быть использованы в любой области, где пригодны полупроводниковые технологии. В первую очередь их применяют в электронике и оптоэлектронике, например, в солнечных элементах, фотодетекторах, светодиодах, волноводах и лазерах.
Идеальным устройством для их применения могут быть тонкопленочные солнечные элементы. Такие солнечные элементы потенциально способны быть одновременно эффективными, дешевыми и легкими. Это быстро развивающаяся отрасль, и дополнительные применения этих ценных материалов будут обнаружены в последующие годы.
Теперь данное изобретение будет дополнительно описано в связи со следующими неограничивающими примерами и чертежами.
Краткое описание чертежей Фиг. 1a-d изображают расположение атомов в случае, когда атомы полупроводника помещены на графене над 1) положениями Н- и В- (Фиг. 1а, b и d), и 2) положениями Н- или В- (Фиг. 1с). На Фиг. 1е представлена зависимость энергий ширины запрещенной зоны полупроводников III-V (а также Si и ZnO) от их параметров кристаллических решеток. Вертикальные сплошные (пунктирные) цветные линии описывают параметр кристаллической решетки идеального кристалла, который мог бы дать полное соответствие кристаллической решетки с графеном для кубического (гексагонального) кристалла с четырьмя различными расположениями атомов (Фиг. 1a-d) по отношению к графену. В случае некоторых двухкомпонентных полупроводников несоответствие параметров кристаллической решетки с графеном является очень малым (например InAs, GaSb и ZnO) для одной предполагаемой атомной
конфигурации. Для других двухкомпонентных полупроводников, таких как GaAs, несоответствие параметров кристаллической решетки является весьма значительным и (она) находится между двумя различными атомными конфигурациями (как на Фиг. 1Ь или Фиг. 1с). Из этого чертежа можно понять, что кристаллическая решетка многих трехкомпонентных, четырехкомпонентных и пятикомпонентных полупроводников может превосходно совпадать с кристаллической решеткой графена.
Фиг. 2 изображает экспериментальную установку для проведения МПЭ.
Фиг. 3 представляет теоретический вид сбоку подложки, слоя графена, базового слоя и верхнего слоя полупроводника.
Фиг. 4 изображает тонкую пленку GaSb, выращенную непосредственно на поверхности первичного графита.
Фиг. 5 показывает, что для SbGp13 пластинки GaSb в форме треугольников подтверждают эпитаксиальную взаимосвязь с графитовой подложкой.
Порядок проведения эксперимента Тонкую пленку выращивают на модульной установке для проведения молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) Varian Gen II, снабженной обычной ячейкой с AI нитью, ячейкой с двойной Ga нитью, ячейкой с двойной In нитью SUMO, As ячейкой-диссоциатором с клапаном и Sb ячейкой-диссоциатором с клапаном, что позволяет фиксировать отношение димеров и тетрамеров. В данном исследовании основными частицами мышьяка были As2, а сурьмы -Sb2.
Выращивание тонкой пленки проводят или на чешуйках первичного графита, или на графеновой пленке (толщиной 1-7 монослоев, предпочтительно толщиной только в один монослой), или выращенной с помощью технологии химического осаждения из паровой фазы непосредственно на металлической пленке, например Си, Ni и Pt, или выращенной на подложках SiC путем применения технологии высокотемпературной сублимации. Образцы графеновых пленок приобретают у сторонних поставщиков. Полученные химическим осаждением из паровой фазы графеновые пленки приобретают у "Graphene Supermarket)), США.
Образцы полученных химическим осаждением из паровой фазы графеновых пленок очищают изопропанолом, с последующей сушкой потоком азота, а затем соединяют индием с тонкой кремниевой пластиной. Подложки из графена/SiC сушат потоком азота, а затем соединяют индием с кремниевой пластиной.
Затем эти образцы загружают в устройство МПЭ для выращивания тонкой пленки. Образцы отжигают при температуре подложки 550°С (или выше) в продолжение 10 минут, чтобы устранить любые оставшиеся на подложке оксиды. Нанесение пленки III-V обычно проводят методом трехстадийного (если используют базовый слой) или двухстадийного роста. В случае, когда используют базовый слой, первая стадия включает нанесение элемента группы V (или сплава элементов группы V) на графитовые слои при более низких температурах подложки, как описано ниже. Вторая стадия включает рост пленки III-V при более низкой температуре подложки, подобно тому, как это использовали для нанесения элемента группы V (или сплава элемента группы V). Третья стадия включает нанесение пленки (пленок) III-V при более высокой температуре, типичной для обычного эпитаксиального роста рассматриваемого соединения III-V. Приведенная выше вторая стадия является предпочтительной для того, чтобы избежать десорбции элемента группы V (или сплава элемента группы V) в ходе третьей стадии.
Пример 1:
После отжига графеновой подложки при 550°С температуру подложки понижают, обычно до значения между 200°С и 300°С, для нанесения Sb. Сначала на поверхность подают поток Sb, обычно в течение интервала времени от 5 с до 1 минуты, в зависимости от потока Sb и температуры подложки. Затем, предпочтительно методом миграционно-стимулированной эпитаксии или молекулярно-пучковой эпитаксии атомных слоев, наращивают несколько нм, предпочтительно менее нескольких десятков нм, Sb. Затем температуру подложки увеличивают до температуры, пригодной для роста тонкой пленки GaSb: то есть примерно до 450°С. Температуру Ga эффузионной ячейки предварительно устанавливают таким образом, чтобы получить номинальную скорость роста с плоским фронтом 0,3 мкм/час. Для выращивания тонкой пленки GaSb при этой температуре поток Sb2 устанавливают на 133x10"6
Па (1x10"6 торр). Тонкую пленку GaSb легируют до уровня, приемлемого для той структуры устройства, которая будет выращена на этой тонкопленочной структуре шаблона.
Пример 2:
После отжига графеновой подложки при 550°С температуру подложки снижают до величины между 15°С и 80°С для осаждения As; и эта температура зависит от желаемой скорости нанесения. Поток As сначала направляют на поверхность в течение интервала времени, обычно составляющего от 5 с до 1 минуты. Затем выращивают несколько нанометров, предпочтительно менее нескольких десятков нм, InAs, предпочтительно с помощью миграционно-стимулированной эпитаксии или молекулярно-пучковой эпитаксии атомных слоев. Затем температуру подложки увеличивают до температуры, пригодной для выращивания тонкой пленки InAs: то есть примерно до 450°С. Температуру In эффузионной ячейки устанавливают так, чтобы получить номинальную скорость роста плоского фронта до 0,7 мкм в час. Чтобы сформировать тонкую пленку InAs при этой температуре, устанавливают величину потока As2 798x10"6 Па (6x10"6 торр). Тонкую пленку InAs легируют до уровня, приемлемого для той структуры устройства, которая будет выращена на этой тонкопленочной структуре шаблона.
Подложки, подготовленные в примерах 1 и 2 и называемые здесь тонкопленочной подложкой III-V/GP, можно использовать в качестве шаблона для изготовления различных оптоэлектронных или электронных устройств, а также солнечных элементов.
В нижеприведенных Примерах 3-4 описано нанесение 1) p-i-n легированного гомогенного перехода из тонкой пленки GaSb на тонкопленочной подложке lll-V/GP, и 2) р-n легированной гетероструктуры из тонкой пленки GaSb/lnGaAsSb на тонкопленочной подложке III-V/GP. Эти тонкопленочные структуры предполагают использовать в таких применениях, как светодиоды и фотодетекторы.
Пример 3:
Дополнительно выращивают p-i-n легированный гомогенный переход из тонкой пленки GaSb на тонкопленочной подложке III-V/GP по Примеру 1, для
использования его в качестве фотодетектора. Толщину каждого из р-легированного, n-легированного и обладающего собственной проводимостью эпитаксиального слоя III-V обычно поддерживают между 0,5 и 3 мкм. Для легирования р-типа используют Be. Те используют в качестве п-легирующей добавки. Температуру Be ячейки устанавливают на 990°С, что дает номинальную концентрацию легирующей добавки р-типа 3x1018 см"3. Температуру Те ячейки устанавливают на 440°С, что дает номинальную концентрацию легирующей добавки n-типа 1х1018см"3. Температуру нанесения для всех слоев устанавливают на 450°С. Температуру Ga эффузионной ячейки задают таким образом, чтобы получить номинальную скорость роста плоского фронта 0,7 мкм в час, а поток Sb2 для выращивания тонкой пленки GaSb задают на уровне 133x10"6 Па (1x10"6 торр).
Пример 4:
Дополнительно на тонкопленочной подложке III-V/GP выращивают тонкую пленку GaSb р-типа / GalnAsSb с собственной проводимостью / GaSb п-типа. Состав GalnAsSb с собственной проводимостью подбирают таким образом, чтобы его кристаллическая решетка соответствовала кристаллической решетке GaSb. Толщину каждого из этих трех эпитаксиальных слоев обычно поддерживают от 0,5 до 3 мкм. В качестве легирующей добавки р-типа используют Be. Те используют в качестве легирующей добавки п-типа для эпитаксиального слоя GalnAsSb. Температуру Be ячейки устанавливают на величину 990°С, что дает номинальную концентрацию легирующей добавки р-типа 3x1018 см"3. Температуру Те ячейки устанавливают на величину 440°С, что дает номинальную концентрацию легирующей добавки п-типа 1x1018 см"3.
Пример 5:
Дополнительно на тонкопленочной подложке III-V/GP выращивают тонкую пленку GaSb п-типа / n+ GalnAsSb / p-GalnAsSb / р+ GalnAsSb, чтобы использовать ее в качестве фотодетектора. Состав GalnAsSb подбирают таким образом, чтобы его кристаллическая решетка соответствовала кристаллической решетке GaSb. Толщину каждого из этих эпитаксиальных слоев обычно поддерживают от 0,5 до 3 мкм. В качестве легирующей добавки р- типа используют Be. Те используют в качестве легирующей добавки п-типа
для эпитаксиального слоя GalnAsSb. Температуру Be ячейки устанавливают на 990°С, что дает номинальную концентрацию легирующей добавки р+ типа 1x1018 см"3, и температуру Be ячейки устанавливают на 940°С, что дает номинальную концентрацию легирующей добавки р-типа 9x1016 см"3. Температуру Те ячейки устанавливают на 440°С, что дает номинальную концентрацию легирующей добавки п-типа 1x1018 см"3.
Пример 6:
Ряд тонких пленок выращивают непосредственно на первичном графите. Условия роста сведены в Таблице 1. После отжига образца при 550°С температуру подложки снижают до приведенного в столбце 2 значения, при котором выращивают тонкую пленку. Полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа изображения Фиг. 4 показывают, что мы имеем кристаллический материал GaSb, выращенный на первичном графите.
Зародышеобразование: Образцы SbGp13, SbGp22 и SbGp17 показывают, что на первичном графите образуются зародыши GaSb, формирующие пластинки GaSb треугольной формы благодаря эпитаксиальной взаимосвязи с поверхностью графита. Зародышеобразования можно достичь с помощью обычной молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) при 300°С и при миграционно-стимулированной эпитаксии (МСЭ) в молекулярно-пучковой эпитаксии при 200°С и при 300°С. Материал, осажденный на первичный графит, в каждом случае эквивалентен 3 монослоям (МС) GaSb.
Тонкая пленка: Образцы SbGp24/26/27/31 показывают, что с использованием метода двухстадийного выращивания (стадия зародышеобразования посредством МСЭ при 300°С + рост посредством МПЭ при 300-520°С) на первичном графите можно вырастить почти непрерывную пленку GaSb с номинальной толщиной 100 нм.
Образцы SbGp26/27/31 выращивают согласно двухстадийному методу (стадия МСЭ при низкой температуре + стадия МПЭ при более высокой температуре), то есть для этих образцов не применяли базовый слой Sb.
Номер образца
Подробности процесса роста
Краткое описание образца
SbGp13
Тонкая пленка GaSb: 5 с (3 МС), поток Sb=1x10"6 (133x10"6 Па), Ga=0,7 МСс"1, ТС=300°С
3 МС GaSb осажд. при ТС=300°С
SbGp14
Поток предв. нанесения Sb=1x10"6 (133x10"6 Па), 5 мин при ТС=400°С. Тонкая пленка GaSb: 5 с (3 МС), поток Sb=1x10"6 (133x10"6 Па), Ga=0,7 МСс"1, ТС=300°С
SbGp15
Тонкая пленка GaSb: МСЭ 5 с (3 МС), поток Sb=1x10"6 (133x10"6 Па), Ga= 0,7 МСс"1, ТС=300°С [открыто Sb 1,4 с+открыто Ga 1,4 с+выдержка 2]хЗ раза
3 МС GaSb, осажд. методом МСЭ при ТС=300°С
SbGp16
Тонкая пленка GaSb: 5 с (3 МС), поток Sb=1x10"6 (133x10"6 Па), Ga=0,7 МСс"1, ТС=350°С
3 МС GaSb осажд. при 350°С
SbGp17
Тонкая пленка GaSb: МСЭ 5 с (3 МС), поток Sb=1x10"6 (133x10"6 Па), Ga= 0,3 МСс"1, ТС=300°С [открыто Sb 3,4 с+открыто Ga 3,4 с+выдержка 2]хЗ раза
3 МС GaSb, осажд. методом МСЭ при ТС=300°С, Ga=0,3 МСс"1
SbGp18
Тонкая пленка GaSb: МСЭ 5 с (3 МС), поток Sb=6x10"7 (798x10"7 Па), Ga= 0,3 МСс"1, ТС=300°С [открыто Sb 3,4 с+открыто Ga 3,4 с+выдержка 2]хЗ раза
3 МС GaSb, осажд. методом МСЭ при ТС=300°С, Ga=0,3 МСс"1, низкий поток Sb
SbGp19
Тонкая пленка GaSb: МСЭ 5 с (3 МС), поток Sb=1,5x10"6 (200x10"6 Па), Ga=0,3 МСс"1, ТС=300°С [открыто Sb 3,4 с+открыто Ga 3,4 с+выдержка 2]хЗ раза
3 МС GaSb, осажд. методом МСЭ при ТС=300°С, Ga=0,3 МСс"1, высокий поток Sb
SbGp20
Тонкая пленка GaSb: МСЭ при двух температурах, поток Sb=1x10"6 (133х10"6 Па), Ga= 0,3 МСс"1, ТС=300°С [открыто Sb 1,7 с+открыто Ga 1,7 с+выдержка 2]х2 раза + ТС=400°С [открыто Sb 3,4 с+открыто Ga 3,4 с+выдержка 2]х2 раза
МСЭ при двух температурах: 1 МС при 300°С и 2 МС при 400°С
SbGp21
Тонкая пленка GaSb: МСЭ при двух температурах, поток Sb=1x10"6 (133х10"6 Па), Ga= 0,3 МСс"1, ТС=300°С [открыто Sb 1,7 с+открыто Ga 1,7 с+выдержка 2]х2 раза + ТС=375°С [открыто Sb 3,4 с+открыто Ga 3,4 с+выдержка 2]х2 раза
МСЭ при двух температурах: 1 МС при 300°С и 2 МС при 375°С
SbGp22
Тонкая пленка GaSb: МСЭ 5 с (3 МС), поток Sb=1x10"6 (133x10"6 Па), Ga=0,3 МСс"1, ТС=200°С [открыто Sb 3,4 с+открыто Ga 3,4 с+выдержка 2]хЗ раза
3 МС GaSb, осажд. методом МСЭ при ТС=200°С, Ga=0,3 МСс"1
Номер образца
Подробности процесса роста
Краткое описание образца
SbGp23
Тонкая пленка GaSb: МСЭ 5 с (3 МС), поток Sb=1x10"6 (133x10"6 Па), Ga= 0,3 МСс"1, ТС=325°С [открыто Sb 3,4 с+открыто Ga 3,4 с+выдержка 2]хЗ раза
3 МС GaSb, осажд. методом МСЭ при ТС=325°С, Ga=0,3 МСс"1
SbGp24
Тонкая пленка GaSb: толщина 100 нм, поток Sb=1x10"6 (133x10"6 Па), Ga= 0,3 МСс"1, ТС=300°С [открыто Sb 3,4 с+открыто Ga 3,4 с+выдержка 2]х20 раз+GaSb 980 с
100 нм GaSb осажд. при ТС=300°С, Ga=0,3 МСс"1
SbGp25
Тонкая пленка GaSb: МСЭ 5 с (3 МС), поток Sb=8x10"7 (1064x10"7 Па), Ga= 0,1 МСс"1, ТС=300°С [открыто Sb 3,4 с+открыто Ga 3,4 с+выдержка 2]х9 раз
3 МС GaSb, осажд. методом МСЭ приТс=300°С, Ga=0,1 МСс"1
SbGp26
Тонкая пленка GaSb: толщина 100 нм, поток Sb=1x10"6 (133x10"6 Па), Ga= 0,3 МСс"1, ТС=300°С [открыто Sb 3,4 с+открыто Ga 3,4 с+выдержка 2]х30 раз+GaSb 980 с при ТС=450°С
100 нм GaSb осажд.: 3 нм при ТС=300°С, 98 нм при ТС=450°С
SbGp27
Тонкая пленка GaSb: толщина 100 нм, поток Sb=1x10"6 (133x10"6 Па), Ga= 0,3 МСс"1, ТС=300°С [открыто Sb 3,4 с+открыто Ga 3,4 с+выдержка 2]х30 раз+100 с при ТС=300°С+ GaSb 800 с при ТС=450°С
100 нм GaSb осажд.: 3 нм методом МСЭ + 10 нм при ТС=300°С, 80 нм при ТС=450°С
SbGp28
Тонкая пленка GaSb_Te: МСЭ 5 с (3 МС), поток Sb=1x10"6 (133x10"6 Па), Ga=0,3 МСс"1, GaTe=600C, ТС=300°С [открыто Sb 3,4 с+открыто Ga и GaTe 3,4 с+выдержка 2]хЗ раза
SbGp29
Тонкая пленка GaSb_Te: МСЭ 5 с (3 МС), поток Sb=1x10"6 (133x10"6 Па), Ga=0,3 МСс"1, GaTe=550C, ТС=300°С [открыто Sb 3,4 с+открыто Ga и GaTe 3,4 с+выдержка 2]хЗ раза
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Композиция, включающая пленку на графитовой подложке, где указанная композиция содержит, в следующем порядке,
(a) графитовую подложку,
(b) пленку базового слоя, содержащую элемент или соединение,
имеющее несоответствие параметров кристаллической решетки по отношению
к кристаллической решетке графена, составляющее 2,5% или менее,
предпочтительно 1 % или менее; и
(c) пленку из соединения группы III-V, или соединения группы II-VI, или
соединения группы IV.
2. Композиция, включающая пленку на графитовой подложке, где указанная композиция содержит, в следующем порядке,
(a) графитовую подложку,
(b) пленку базового слоя, включающую GaSb, InAs, AsSb, GaN, SbBi, AlAs, AlSb, CdSe или Sb; и
(c) пленку, содержащую соединение группы III-V, или соединение группы II-VI, или соединение группы IV.
3. Композиция, включающая пленку на графитовой подложке, причем указанная пленка выращена эпитаксиально на указанной подложке, где указанная пленка включает по меньшей мере одно соединение группы III-V, или по меньшей мере одно соединение группы II-VI, или соединение группы IV.
4. Композиция по любому из предшествующих пунктов, в которой рост пленки происходит в отверстиях маски, присутствующей на подложке.
5. Композиция по любому из предшествующих пунктов, в которой пленка или часть пленки из соединения группы III-V или соединения группы II-VI является легированной.
6. Композиция по любому из предшествующих пунктов, в которой графитовая подложка нанесена на основание.
3.
7. Композиция по любому из предшествующих пунктов, в которой
графитовая подложка не содержит границ зерен.
8. Композиция по любому из предшествующих пунктов, в которой пленка
не содержит AIN.
9. Композиция по любому из предшествующих пунктов, в которой базовый слой представляет собой GaSb, InAs, CdSe, AlSb, AlAs, AsSb (например, As0,o8Sb0,92), SbBi (например, Sbo^Bio.ss), GaN или Sb, предпочтительно GaSb, InAs, AsSb (например, As0,o8Sb0,92), SbBi (например,
Sb0,45Bi0,55) или Sb.
10. Композиция по любому из предшествующих пунктов, в которой базовый слой и/или пленку выращивают с использованием миграционно-стимулированной эпитаксии (МСЭ) и/или молекулярно-пучковой эпитаксии атомных слоев (МПЭАС).
11. Композиция по любому из предшествующих пунктов, в которой пленка представляет собой пленку из соединения группы (lll)(V).
12. Композиция по любому из предшествующих пунктов, в которой пленка представляет собой пленку из трехкомпонентного, четырехкомпонентного, или пятикомпонентного соединения групп III-V.
13. Композиция по любому из предшествующих пунктов, в которой толщина базового слоя, если он присутствует, и пленки составляет по меньшей мере 250 нм.
14. Композиция по любому из предшествующих пунктов, в которой пленка включает множество соединений группы (lll)(V) в разных слоях.
15. Композиция по любому из предшествующих пунктов, где несоответствие параметров кристаллической решетки пленки, содержащей по меньшей мере одно соединение группы III-V или по меньшей мере одно
13.
соединение группы II-VI, по отношению к кристаллической решетке графена, составляет 2,5% или менее, предпочтительно 1% или менее.
16. Способ получения пленки, выращенной эпитаксиально на графитовой подложке, включающий стадии:
(I) подачи элементов группы II-VI, или элементов группы III-V, или элементов группы IV, на поверхность указанной графитовой подложки, предпочтительно посредством молекулярного пучка; и
(II) эпитаксиального выращивания указанной пленки от поверхности графитовой подложки.
17. Способ выращивания пленки на графитовой подложке, включающий стадии:
(I) обеспечения наличия пленки базового слоя на указанной подложке, где указанная пленка базового слоя содержит элемент или соединение, имеющее несоответствие параметров кристаллической решетки с кристаллической решеткой графена, составляющее 2,5% или менее;
(II) приведения указанной пленки базового слоя в контакт с элементами группы II-VI, или элементами группы III-V, предпочтительно посредством молекулярного пучка так, чтобы вырастить пленку из соединения группы III-V, или из множества соединений группы III-V в различных слоях, или пленку из соединения группы II-VI, или из множества соединений группы II-VI в различных слоях.
18. Способ по п. 16 или 17, в котором нанесение пленки базового слоя или формирование пленки, выращенной эпитаксиально на графитовой подложке, включает миграционно-стимулированную эпитаксию (МСЭ) с последующей молекулярно-пучковой эпитаксией атомных слоев (МПЭАС), предпочтительно в указанной последовательности.
18.
18.
(а)
<* . 1-е "Ъ с с (tm) t ц !е & ф с с;
", ф
i-16.1
(С)
ф с с ф-¦*--*> ф а. о
4 t> is *\ "
С $ С ъ ф w i- ф
(d)
е. о с 4" ф с с
3 С ф С- с (c) # (c)
0 у . ¦
? fr в ф--"--". ~ф ъ 4" ф
4.266 А "
& в ос * в
| е ш\ s б Ф Й
fa У в- ^
к' ф 4# С <] f С
С ".. ф V, v О С
(в)
ML.
т 1
а-Л
4.0 -
GaN
со "_
о 3,5
ZnO
3.0 -
§ 2.5 h о
х 2.0 V Ф 3"
1.0 -
с го
| 0.5 -3
0.0
AtP
AlAs
AlSb
GaP GaAs
InN
InF
GaSa
InAs I
J_ I L
3.0 3.5 ЙГ 5.5 6.0
Параметр решетки, a (A)
InSb
6.5
7.0
2/5
3/5
Слой GaAs/lnAs
Базовый слой Sb
Слой графена
Слой основания
4/5
ФИГ. 5 SbGp13 ЗОО'С
5/5
Полупроводниковые пленки из соединения III-V или II-VI на графитовых подложках
Полупроводниковые пленки из соединения III-V или II-VI на графитовых подложках
Полупроводниковые пленки из соединения III-V или II-VI на графитовых подложках
Полупроводниковые пленки из соединения III-V или II-VI на графитовых подложках
Полупроводниковые пленки из соединения III-V или II-VI на графитовых подложках
Полупроводниковые пленки из соединения III-V или II-VI на графитовых подложках
Полупроводниковые пленки из соединения III-V или II-VI на графитовых подложках
Полупроводниковые пленки из соединения III-V или II-VI на графитовых подложках
Полупроводниковые пленки из соединения III-V или II-VI на графитовых подложках
Полупроводниковые пленки из соединения III-V или II-VI на графитовых подложках
Полупроводниковые пленки из соединения III-V или II-VI на графитовых подложках
