CN111509039A - 石墨衬底上的iii-v或ii-vi化合物半导体膜 - Google Patents

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H·沃曼
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Abstract

本发明的题目是石墨衬底上的III‑V或II‑VI化合物半导体膜。包括在石墨衬底上的膜的物质组合物，所述膜在所述衬底上外延生长，其中所述膜包括至少一种III‑V族化合物或至少一种II‑VI族化合物。

Description

石墨衬底上的III-V或II-VI化合物半导体膜
本申请是申请日为2014年6月23日、申请号为2014800463317、题为“石墨衬底上的III-V或II-VI化合物半导体膜”的专利申请的分案申请。
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Physical Review Letters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。
随着晶格匹配的存在，分子束外延的使用在膜生长方面提供极好的结果。本发明人已经令人惊讶地发现某些(III/V)或(II/VI)族半导体与石墨烯具有极好的晶格匹配。可选地，晶格匹配基层可以用于开始薄膜生长过程以因此允许在石墨衬底上形成薄膜。
发明内容
因而，从一个方面看，本发明提供包括在石墨衬底上的膜的物质组合物，所述膜已经在所述衬底上外延生长。
其中所述膜包括至少一种III-V族化合物或至少一种II-VI族化合物或IV族化合物，优选地至少一种III-V族化合物或至少一种II-VI族化合物。
从另一个方面看，本发明提供用于制备在石墨衬底上外延生长的膜的方法，其包括以下步骤：
(I)提供II-VI族元素或III-V族元素或IV族元素至所述石墨衬底的表面，优选地通过分子束；和
(II)在石墨衬底或IV族化合物的表面上外延生长III-V族或II-VI族的膜。
从另一个方面看，本发明提供用于在石墨衬底上生长膜的方法，其包括以下步骤：
(I)在所述衬底上提供基层膜，其中所述基层膜包括与石墨烯的晶格失配为5％或更小，优选地1％或更小的元素或化合物；
(II)将所述基层膜与II-VI族元素或III-V族元素接触，优选地通过分子束，以便生长III-V族或II-VI族的膜。
从另一个方面看，本发明提供包括在石墨衬底上的膜的物质组合物，其中，按以下顺序，所述组合物包括，
(a)石墨衬底，
(b)包括与石墨烯的晶格失配为2.5％或更小，1％或更小的元素或化合物的基层膜；和
(c)包括III-V族化合物或II-VI族化合物或IV族化合物，优选地III-V化合物或II-VI族化合物的膜。
从另一个方面看，本发明提供包括在石墨衬底上的膜的物质组合物，其中，按以下顺序，所述组合物包括，
(a)石墨衬底，
(b)包括GaSb、InAs、AsSb、GaN、SbBi、AlAs、AlSb、CdSe或Sb，优选地GaSb、InAs、AsSb、GaN、SbBi或Sb的基层膜；和
(c)包括III-V族化合物或II-VI族化合物或IV族化合物，优选地III-V族化合物或II-VI族化合物的膜。
任选地，石墨衬底的表面可以被化学/物理修饰以加强膜的外延生长。
从另一个方面看，本发明提供包括上文所限定的组合物的设备，诸如电子设备，例如太阳能电池。
从另一个方面看，本发明提供分子束外延在石墨衬底上生长如上文所限定的至少一种膜的用途。
定义
III-V族化合物表示包括来自III族的至少一种离子和来自V族的至少一种离子的化合物。类似地，II-VI族化合物是包括至少一种II族离子和至少一种VI族离子的化合物。在本申请中，术语(II)族包含经典族(IIa)和(IIb)周期二者，即碱土系列和Zn系列元素。可能存在来自每个族的多于一种离子，例如InGaAs(即，三元化合物)等等。也可能存在四元化合物等。
IV族化合物是包括来自IV族的两种或多种元素，优选地即C、Si或Ge的化合物，诸如SiC。在所有实施方式中，膜优选地是包括III-V族化合物或II-VI族化合物的膜。
石墨衬底是由单层或多层的石墨烯或其衍生物组成的衬底。术语石墨烯是指蜂窝状晶体结构的sp2-键合碳原子的平面片。石墨烯的衍生物是具有表面修饰的那些。例如，氢原子可以被附连至石墨烯表面以形成石墨烷。另一种选择是氯石墨烯。带有与碳原子和氢原子一起附连至表面的氧原子的石墨烯被称为氧化石墨烯。表面修饰也可以是可能通过化学掺杂或氧/氢等离子体处理的。
术语外延来自希腊词根epi，意指“在…上面”，并且taxis，意指“以有序的方式”。膜的原子排列基于衬底的晶体结构。它是本领域中常用的术语。外延生长在本文中表示模拟衬底的取向的膜的在衬底上的生长。
分子束外延(MBE)是在晶体衬底上形成沉积的方法。MBE方法通过在真空中加热晶体衬底以便激发衬底的晶格结构而进行。然后，原子或分子质量束(一个或多个)被引导到衬底的表面上。以上所使用的术语元素意欲包括那种元素的原子、分子或离子的应用。当所引导的原子或分子到达衬底的表面时，所引导的原子或分子遇到衬底的激发的晶格结构。以下详细描述了MBE方法。随着时间，不断后来的原子形成膜。
在衬底上形成的膜优选地是连续的。因此，它不能被认为是一系列的不连续的块而是膜在衬底表面的一部分诸如衬底表面的至少50％上形成。然而，如以下所进一步讨论的，膜也可以被沉积在掩模的孔中。
晶格失配的量针对石墨烯的任意晶格常数测量，半导体的任意晶格常数如以下所解释。如果半导体化合物或元素具有在石墨烯的一种晶格常数的1％内的晶格常数，那么半导体适合用作本文的基层并且也可以直接沉积在石墨衬底上。
我们认为紧密的晶格失配是最高1％的失配，几乎完美的晶格匹配是最高0.1％的失配。
具体实施方式
本发明涉及石墨衬底上薄膜的外延生长。本发明的组合物包括衬底和在其上生长的膜二者以及任选的载体。
使膜外延生长提供同质性给形成的材料，其可以加强各种终端性能，例如机械、光学或电学性能。
外延膜可以由气态或液态前体生长。因为衬底用作晶种，沉积的前体可以呈现晶格结构和与衬底的取向相同的取向。这不同于甚至在单晶衬底上沉积多晶或非晶膜的其他薄膜沉积方法。
在本发明中，衬底是石墨衬底，更特别地它是石墨烯。如本文所使用的，术语石墨烯是指以蜂窝状(六边形)晶格紧密堆积的sp2-键合的碳原子的平面片。此石墨烯衬底应当包含不超过10层的石墨烯或其衍生物，优选地不超过5层(其被称为少层石墨烯)。特别优选地，它是一个原子厚度的石墨烯的平面片。
晶体或“薄片”形式的石墨由堆栈在一起的许多石墨烯片(即大于10片)组成。因此，石墨衬底表示由一个或多个石墨烯片形成的衬底。
如果衬底是20nm的厚度或更小，它是优选的。石墨烯片堆栈以形成具有0.335nm晶面间距的石墨。衬底优选地仅包括几个这种层并且理想地在厚度上可以小于10nm。甚至更优选地，它可以在厚度上是5nm或更小。衬底的面积是没有限制的。这可以高达0.5mm2或更大，例如高达5mm2或更大，诸如高达10cm2。因而衬底的面积仅受实用性限制。
将清楚的是，石墨衬底可能需要被负载以便允许膜在其上生长。石墨烯片可以被负载在任何种类的材料上，其包括常规的半导体衬底、金属和透明玻璃。因而可以使用玻璃或金属箔。二氧化硅或Si的化合物诸如SiC的使用是特别优选的。SiC的使用是特别优选的实施方式。
载体必须是惰性的。也可能的是，直接在沉积在氧化的硅晶片上的金属膜上或者直接在金属箔上生长石墨衬底。然后通过蚀刻，石墨衬底可以与金属分离，并且容易地转移到任何材料上。
在非常优选的实施方式中，石墨衬底是从Kish石墨剥离的层压衬底，或者是高度有序热解石墨(HOPG)。可选地，它可以是在由例如Cu、Ni或Pt制成的金属膜或箔上化学气相沉积(CVD)生长的石墨烯衬底。
尽管如果使用未修饰的石墨衬底是优选的，石墨衬底的表面可以被修饰。例如，它可以用氢、氧、NO2的等离子体或其组合处理。用氮处理也是可能的。衬底的氧化可以提高膜成核作用。也可能优选的是预处理衬底，例如，以在膜生长之前确保纯度。用强酸诸如HF或BOE处理是一种选择。可以用异丙醇、丙酮、或n-甲基-2-吡咯烷酮洗涤衬底以去除表面杂质。
可以通过掺杂进一步修饰清洁的石墨表面。在掺杂步骤中可以使用FeCl3、AuCl3或GaCl3的溶液。理想地，所使用的石墨衬底应当是良好的导体。衬底中的任何杂质可以被提取到形成的半导体膜并且其可能不是优选的。如果衬底没有杂质，避免该过程。
尽管本发明针对薄膜，也将重要的是，石墨衬底是平滑的。它应当是没有晶界的并且优选地在表面上将仅存在可能的A、B或C类型的堆栈的石墨烯层的一种类型。如果在表面上存在多于一种的A、B或C类型的堆栈的石墨烯层，那么生长膜的不同部分可能不对准(inregistry)并且因而将在形成的膜中引起缺陷。
在文献中，例如Virojanadara,C.、Yakimova,R.、Zakharov,A.A.、Johansson,L.I在2010年第43期.J.Phys.D:Appl.Phys.的第374010页的Large homogeneous mono-/bi-layer grapheme on 6H-SiC(0001)和buffer layer elimination中教导了非常平滑的石墨烯负载结构。载体诸如SiC和Si是优选的。
在本发明中石墨衬底——理想的薄石墨衬底——的使用是非常有利的，因为这些是薄的但是非常坚硬、轻并且柔软、高导电和导热的。它们在本文优选采用的低厚度下是透明的，它们是不可渗透的并且是惰性的。
半导体膜
为了制备商业价值的薄膜，重要的是这些在衬底上外延生长。这通过确保石墨烯衬底和薄膜之间极好的晶格匹配或者任选地通过以下详细描述的基层膜的晶格匹配在本文实现。
如果膜的生长发生在[111](对于立方晶体结构)或[0001](对于六方晶体结构)方向，它是理想的。如以上所指出，不能保证的是，其中衬底材料不同于正在生长的膜的特定衬底是可能的。然而，本发明人已经确定，通过确定半导体膜中的原子和石墨烯片中的碳原子之间可能的晶格匹配在石墨衬底上的外延生长是可能的。
石墨烯层中的碳-碳键长是大约0.142nm。石墨烯具有六方晶体几何结构。本发明人已经令人惊讶地意识到石墨衬底可以提供半导体膜可以在其上生长的衬底，因为生长的膜材料和石墨衬底之间的晶格失配可以非常低。
本发明人已经意识到由于在以立方晶体结构在[111]方向生长的膜的(111)平面(或者在以六方晶体结构在[0001]方向生长的膜的(0001)平面)中的石墨衬底的六方对称性和半导体原子的六方对称性，可以实现生长的膜和衬底之间的晶格匹配。
图1a-1d显示了在石墨烯层中的碳原子的六方晶格顶部的半导体膜的(111)(或(0001))平面中的半导体原子的四个不同的六边形结构配置，其被以不会发生晶格失配的方式放置。作为在石墨烯顶部的可能的半导体吸附位点，我们认为1)在石墨烯的六边形碳环的中心上(H-位点)和2)在碳原子之间的桥上(B-位点)，如图1a中通过箭头所指示的。
附图显示了当原子被放置在1)H-和B-位点(图1a、1b和1d)，以及2)H-或B-位点(图1c)上时立方晶体的(111)平面(对于六方晶体为(0001)平面)中的半导体原子的理想晶格匹配排列。虚线强调了(111)平面中半导体原子晶格的六方对称。对于每种原子排列的这些六边形的相对旋转被写在每个图的顶部。对于(图1a)和(图1d)，两个相对的取向是可能的，分别为±10.9°和±16.1°(在图像中仅显示了+旋转)。
图1e显示了对于(a)、(b)、(c)和(d)中原子排列的人为的晶格匹配的晶格常数。虚线和实线分别对应于这些晶格的六方(a1)和立方(a＝a1×√2)晶体相。对于Si、ZnO和二元III-V半导体，正方形(■)和六边形分别表示立方和六方相。
如果如图1a中将半导体原子放置在交替的H-和B-位点上，那么如果立方半导体晶体的晶格常数a(晶格常数a被定义为立方晶胞的边长)等于：
Figure BDA0002473624760000091
可以达到精确的晶格匹配。存在晶格常数接近此值的一些二元立方半导体，最接近的是AlN
Figure BDA0002473624760000092
和GaN
Figure BDA0002473624760000093
对于六方半导体晶体，如果晶格常数a1等于：
Figure BDA0002473624760000094
将达到精确的晶格匹配。存在晶格常数接近此值的一些二元六方半导体，最接近的是SiC
Figure BDA0002473624760000095
AlN
Figure BDA0002473624760000096
GaN
Figure BDA0002473624760000097
和ZnO
Figure BDA0002473624760000098
晶体。
如果如图1b中半导体原子被放置在交替的H-和B-位点上，那么如果立方半导体晶体的晶格常数a等于：
Figure BDA0002473624760000099
Figure BDA00024736247600000910
可以达到精确的晶格匹配。这接近于GaP
Figure BDA00024736247600000911
AlP
Figure BDA0002473624760000101
InN
Figure BDA0002473624760000102
和ZnS
Figure BDA0002473624760000103
的晶格常数。对于六方半导体晶体，如果晶格常数a1等于：
Figure BDA0002473624760000104
Figure BDA0002473624760000105
将达到精确的晶格匹配。这接近于六方形式的InN
Figure BDA0002473624760000106
和ZnS
Figure BDA0002473624760000107
晶体的a1晶格常数。
对于如图1c中的原子构造，如果
Figure BDA0002473624760000108
Figure BDA0002473624760000109
可以达到精确的晶格匹配。这接近于III-V族化合物诸如InAs、GaAs、InP、GaSb、AlSb和AlAs，以及II-VI族化合物诸如MgSe、ZnTe、CdSe和ZnSe半导体晶体的晶格常数。特别地，这接近于III-V族化合物诸如InAs
Figure BDA00024736247600001010
GaSb
Figure BDA00024736247600001011
和AlSb
Figure BDA00024736247600001012
以及II-VI族化合物诸如ZnTe
Figure BDA00024736247600001013
和CdSe
Figure BDA00024736247600001014
半导体晶体的晶格常数。
对于六方半导体晶体，如果
Figure BDA00024736247600001015
Figure BDA00024736247600001016
将达到精确的晶格匹配。这接近于六方形式的II-VI族材料CdS
Figure BDA00024736247600001017
和CdSe
Figure BDA00024736247600001018
晶体的a1晶格常数，其表示对于某些摩尔分数的S，三元半导体CdSSe可以提供完美的晶格匹配。
如果如图1d中半导体原子被放置在交替的H-和B-位点上，那么如果立方半导体晶体的晶格常数a等于：
Figure BDA00024736247600001019
可以达到精确的晶格匹配。这接近InSb
Figure BDA00024736247600001020
MgTe
Figure BDA00024736247600001021
和CdTe
Figure BDA00024736247600001022
的晶格常数。
某些三元化合物像例如InGaSb、InAsSb和AlInSb可以提供完美的晶格匹配，如同一些四元化合物像InGaAsSb和AlInAsSb可以提供完美的晶格匹配。对于六方半导体晶体，如果晶格常数a1等于：
Figure BDA00024736247600001023
可以达到精确的晶格匹配。这接近于六方形式的InSb
Figure BDA00024736247600001024
Figure BDA00024736247600001025
MgTe
Figure BDA00024736247600001026
和CdTe
Figure BDA00024736247600001027
晶体的a1晶格常数。
不希望受到理论的限制，由于石墨层中碳原子的六方对称性，和分别在[111]和[0001]晶体方向的立方或六方半导体原子的六方对称性，当半导体原子被放置在石墨衬底的碳原子上时，理想地六方形式，石墨衬底和半导体之间可以达到紧密的晶格匹配。这是新的并且是令人惊讶的发现并且使膜能够在石墨衬底上外延生长。
如以上所描述的半导体原子的四个不同的六方排列可以使这种材料的半导体膜能够生长。
尽管理想的是生长的膜和衬底之间不存在晶格失配，但小的晶格失配是可能的。本发明的膜理想地具有与衬底至多大约1％的晶格失配。更优选地，晶格失配应当是0.5％或更小，例如0.25％或更小。这些值适用于任意的膜厚度。基于讨论中的半导体的晶体结构的知识和以上提供的信息，可以计算晶格匹配值。如果半导体可以以对于立方晶体的情况匹配它的(111)平面或对于六方晶体的情况匹配它的(0001)平面的图1a-1d中描绘的任意原子排列的晶格常数的形式生长，那么存在适当的晶格匹配。为了避免怀疑，应当计算存在于衬底上的整个膜的晶格匹配。
然而，注意到本发明的方法的成功在一定程度上依赖于膜的厚度。因而，100nm的总膜厚度的平均应变通常应当小于0.5％。0.5μm的总膜厚度的平均应变通常应当小于0.2％。1μm的总厚度的平均应变通常应当小于0.15％。5μm的总厚度的平均应变通常应当小于0.1％。为了避免较厚的膜中的缺陷，因此，如果晶格失配尽可能地小，其是优选的。
对于一些二元半导体像立方InAs
Figure BDA0002473624760000111
立方GaSb
Figure BDA0002473624760000112
Figure BDA0002473624760000113
立方CdSe
Figure BDA0002473624760000114
和六方CdSe
Figure BDA0002473624760000115
晶格失配如此小(<～1％)以致于可以预期这些二元半导体极好地生长高达几十纳米的膜厚度。然而，随着膜生长得更厚，可能需要采用应变补偿生长技术以便降低应变能并避免晶体缺陷如位错。在本质上，因此，可以获得达到临界厚度的膜厚度而没有缺陷风险。对于1.0％晶格失配这将是30nm的数量级并且对于0.5％的失配这将是100nm的数量级。因而，超出临界厚度，可能需要超晶格技术或不同半导体材料诸如三元或四元半导体。
当然，由于它们的性质，通过改变每种存在的元素的相对量可以控制三元、四元等等化合物的晶格常数。通过调节这些化合物的组分可以调节这些化合物的晶格常数至特定的值。因此，当需要较厚的膜诸如大于100nm时，优选的是使用三元和四元半导体化合物。装置可能需要5μm数量级的总膜厚度，通常1至10μm。
生长在衬底上以包括不同族(III)(V)或(II)(VI)化合物的多层的膜在本发明的范围内。因而，三元或四元半导体可以生长在二元半导体上。
其他的多层膜可能使用补偿生长技术诸如应变的超晶格产生。如果膜包含超晶格，那么如果使用应变补偿，超晶格的每层可以具有大于1％的应变以便超晶格的平均晶格常数作为整体与石墨衬底是晶格匹配的。
这种补偿生长技术对技术人员是已知的。
然而，应当理解的是，对于某些半导体组合，对于成功的膜生长，半导体的晶格常数和石墨烯的晶格常数之间可能存在太大的晶格失配。在这种情况下，可能不可能在石墨衬底上直接生长这种半导体。
基层
为了允许其他半导体膜存在并且在此将该可能性最大化，本发明人提出在半导体薄膜和衬底之间使用中间层或基层。在半导体不能与石墨衬底晶格匹配或者由于某些原因特定的半导体不直接在石墨表面形成薄膜的情况，例如因为它的组分没有一种具有足够的表面活性剂行为以覆盖石墨表面，此方法优选地被使用。
此中间层是晶格匹配的并且因此在薄膜半导体层和石墨衬底之间形成一种表面活性剂的层。基层材料，其可以是元素或化合物，与石墨烯具有2.5％或更小的晶格失配，优选地1％或更小。例如，当Sb原子被仅在H位点上、仅在B上或仅在T位点上放置时，(111)定向的Sb(菱形A7)和石墨烯之间的晶格失配是1.0％。GaSb也具有与石墨烯1.0％的晶格失配。InAs具有与石墨烯0.43％晶格失配。此基层仅需要几个原子层厚。
通过使用其本身是“三维”的基层，此层提供半导体层可以通过其开始生长的孤对。“二维”衬底的附着力通过使用基层达到。
基层优选地是V族元素或III-V族化合物的合金诸如GaSb，InAs、AsSb、SbBi或Sb。也可以使用AlSb。在图1(c)的构造中，合金As(0.077)-Sb(0.923)应当与石墨完美地晶格匹配(其中0.077是合金中As摩尔分数)。类似地，Sb-Bi合金可以与图1(d)中的构造晶格匹配。
另外的选择是三元晶格匹配的基层，诸如基于AlAsSb、AlInSb、InGaSb或AlInAs的那些。进一步的选择是基层的组合，诸如在Sb的元素层之后是如以上所述的三元层。Sb层可以是和一个原子的厚度一样小，虽然更可能地层可能是两个或三个原子厚。
基层的进一步的选择可以是CdSe或CdSSe。在一个实施方式中CdSSe可以在CdSe的层上生长以形成基层。
作为基层，Sb的使用是最优选的。(111)-定向的双层的菱形，A7，Sb具有与石墨烯紧密的晶格匹配(1.0％失配)。使用以下详细讨论的与半导体的沉积相关的技术，基层可以被沉积在衬底上。
然而，当基层是Sb时，优选的是如果这是在温和的条件下沉积的，诸如小于200℃，优选地100至135℃，或诸如小于325℃，优选地200至300℃，这依赖于在沉积期间使用的Sb4或Sb2的通量密度，对于Sb2后面的条件是理想的。
如以上所指出的，仅仅需要几个原子层的基层(可能仅仅一个原子层或两个原子层)。在Sb的情况下，最小量将是(111)-定向的Sb双层。应当认为，将一个Sb原子层与邻近的Ga层放置是与GaSb基层相同的并且因此与直接在石墨烯上生长GaSb相同。一旦存在基层，可以沉积半导体膜。当使用基层时，可能的是半导体膜的初始生长发生在与沉积V族元素(或V族合金等)所使用的类似的较低温度下。第三步骤可以然后包括在通常用于讨论的III-V化合物的正常的外延生长的较高温度下沉积III-V膜(一个或多个)。以上的第二步骤是优选的以避免在第三步骤期间V族元素(或V族合金)的脱附。
可能的是在石墨衬底上生长超晶格，其中对于它，超晶格的每个层具有太多的应变而不可能在石墨烯上直接生长，该石墨烯需要基层，例如Sb、GaSb或InAs。也可能的是使用AlSb(晶格失配1.7％)。
基层也可以是带有Sb和Bi的交替的原子层[(111)-平面]的“超晶格”。此超晶格将与图1(e)中的“d”形成紧密的晶格匹配并且因而提供晶格常数给衬底，其中不存在当前可获得的二元衬底。
半导体
本发明的半导体膜是由至少一种III-V化合物或至少一种II-VI化合物或IV族化合物诸如SiC形成的。
II族元素是Be、Mg、Ca、Zn、Cd、和Hg。在此优选的选择是Zn和Cd。
III族选择是B、Al、Ga、In、和Tl。在此优选的选择是Ga、Al和In。
V族选择是N、P、As、Sb。所有都是优选的。
VI族选择包括O、S、Se和Te。O、Se和Te的使用是优选的。
III-V族膜的制造是优选的。应当理解的是，如以下讨论的，因为可能存在掺杂，在膜生长期间形成的任意化合物不必是完全化学计量的。
用于膜制造的优选的二元化合物包括InAs、GaAs、AlAs、InP、GaP、AlP、InSb、GaSb、AlSb、ZnTe、CdSe和ZnSe。生长二元半导体的交替的薄层(1nm或几个nm厚的数量级)使得薄膜的电子性能和平均晶格常数作为整体与衬底匹配在本发明的范围中。GaSb或InAs的使用是非常优选的。其他选择包括ZnO和AlSb。在膜中优选的不是AlN。
尽管二元材料的使用是可能的，三元或四元膜或甚至五元膜的生长是优选的。特别优选的选择是InGaAs、InAlAs、InAsP、InPSb、InAsN、InPN、InSbN、GaInSb、GaAsN、GaInN、GaPN、GaSbN、AlInSb、AlAsSb、AlSbP、AlInN、AlPN、AlAsN、AlSbN、InGaAsSb、AlGaAsSb和InGaAsN，因为这些可以生长完美地与石墨烯晶格匹配，并适合用于许多装置。应当理解的是，在三元、四元等材料中，每种离子的相对量可以变化。
三元化合物可以因此是式XYZ，其中X是III族元素，Y是与X和Z不同的III族或V族元素并且Z是V族元素。XYZ中X与Y或Y与Z的摩尔比优选地是0.2至0.8，即该式优选地是XxY1-xZ(或XY1-xZx)，其中下标x是0.2至0.8。四元系统可以由式AxB1-xCyD1-y表示，其中A和B是III族元素并且C和D是V族元素。再一次地下标x和y通常是0.2至0.8。其他选择对技术人员将是清楚的。
膜的掺杂在本发明的范围内。掺杂通常包括将杂质离子引入到膜中。这些可以以高达1019/cm3，优选地高达1018/cm3的水平被引入。根据需要，膜可以是未掺杂的、p掺杂的或n掺杂的。掺杂的半导体是非本征导体，然而未掺杂的半导体是本征的。
具有比空穴浓度更大的电子浓度的非本征半导体被称为n-型半导体。在n-型半导体中，电子是多数载流子并且空穴是少数载流子。N-型半导体是通过用供体杂质掺杂本征半导体产生的。用于III-V化合物的合适的供体可以是例如Si和Te。用于IV族半导体的合适的供体可以是例如P和As。
p-型半导体具有比电子浓度更大的空穴浓度。词组“p-型”是指空穴的正电荷。在p-型半导体中，空穴是多数载流子并且电子是少数载流子。P-型半导体是通过用受体杂质掺杂本征半导体产生的。用于III-V化合物的合适的受体可以是例如Be和Zn。用于IV族半导体的合适的受体可以是例如B。应当理解的是，杂质在III-V化合物中是用作供体还是受体在某些情况下将依赖于生长表面的取向和生长条件。在生长过程期间可以引入掺杂剂或在它们形成之后通过膜的离子移植可以引入掺杂剂。通过允许杂质从衬底进入半导体膜，也可以实现掺杂。
本发明优选的膜将包含掺杂剂。
一旦在石墨烯衬底上建立了膜生长，对于可以实施的操作不存在真正的限制。通过改变存在的原子的性质可以简单地添加不同膜层。例如，建立膜，也将可能的是通过使用适当的掺杂技术生长其中存在“p-i-n”或“n-i-p”结构的顶部膜层。因而，初始地在未掺杂的本征层被施加和n掺杂层被引入之前膜可以是p掺杂的(或反之亦然)。
应当理解的是仅掺杂膜的一部分/多部分是可能的，例如对于特定的组分使用离子移植。因此在生长之后的过程可发生掺杂。
膜
本发明中生长的膜可以是250nm至几个微米的厚度，例如0.5至10微米，更优选地1至5微米。膜的表面积仅受到用于沉积膜的设备和衬底的尺寸限制。如以下所进一步描述的，表面积也可以由膜在其中生长的孔的尺寸控制。
膜的厚度通常由生长过程进行的时间的长度控制。较长的过程通常导致较厚的膜。
当存在时基层可以是一个或两个原子厚度，例如
Figure BDA0002473624760000161
或多至数十纳米，其依赖于基层的性质和在该基层上生长的薄膜的性质。
膜/基层沉积/生长
我们首先处理本发明的膜在石墨衬底上的直接沉积。本发明的膜在衬底或基层上外延生长。它们通过共价、离子或准范德华结合，附连至下面的石墨衬底。因此，在衬底和膜的连接点，晶体平面外延地形成。这些在相同的晶体方向一个接一个形成，因而允许膜的外延生长。
优选地本发明的膜应当对于具有立方晶体结构的膜在[111]方向生长并且对于具有六方晶体结构的膜在[0001]方向生长。平面(111)和(0001)二者表示膜的相同的(六边形)平面，仅仅是平面的命名法依赖于生长的膜的晶体结构变化。
膜优选地通过分子束外延(MBE)生长。尽管使用气相沉积，例如CVD特别地金属有机CVD(MOCVD)或金属有机气相外延(MOVPE)方法在本发明的范围内，MBE的使用是非常优选的。
在此方法中，衬底被提供各反应物的分子束，例如III族元素和V族元素优选地同时供应。然而，可能有利的是每次使用一种反应物开始沉积过程。因而第一层可能包括沉积Sb，接着施加Ga。第一层可能包括沉积In，接着是As或者反之亦然。沉积可能包括AlSb的生长，优选地先Sb然后Al。一旦存在反应物二者并且每个已经形成原子层，这些二者的化合物将形成。此交替的沉积可以或可以不被重复一次或多次。此后，两种离子可以被同时施加并且膜将继续生长。在用III-V族元素以常规的MBE模式生长之前可能需要升高衬底温度。
用MBE技术，通过使用迁移增强外延(MEE)或原子层MBE(ALMBE)可以达到较高程度地控制膜在石墨衬底上的成核和生长，在迁移增强外延(MEE)中(III)(V)族元素被以两者之间无时间地交替施加，在原子层MBE(ALMBE)中例如III和V族元素可以以两者之间有延迟地交替地施加。
优选的技术是固体源MBE，其中非常纯的元素诸如镓和锑被在分离的泄流单元中加热，直达它们开始缓慢地蒸发(例如镓)或升华(例如锑)。气态元素然后凝结在衬底上，其中它们可以彼此反应。在镓和锑的实例中，单晶锑化镓形成。术语“束”的使用意指蒸发的原子(例如镓)或分子(例如Sb4或Sb2)彼此不相互作用或者不与真空室气体相互作用直到它们到达衬底。
使用MBE也可以容易地引入掺杂离子。图2是MBE过程的可能的装置。
分子束外延(MBE)发生在超高真空中，背景压力通常大约10-10至10-9Torr。膜通常生长缓慢，诸如以至多几个诸如大约2μm每小时的速度。这允许膜外延地生长并且最大化结构性能。
对于常规的II-VI或III-V半导体膜，生长温度可以在300至700℃的范围内。对于基层生长，需要低得多的温度，其通常是大约130℃。然而，所采用温度特定于膜中材料的性质、表面取向、以及所使用的III和V元素的通量。对于在GaAs(001)表面上GaAs的生长，优选的温度是580至630℃，例如590℃。对于在GaAs(111)表面GaAs的生长，诸如GaAs(111)B表面，较高的温度是优选的，例如530℃或更高诸如610℃或更高。对于InAs和GaSb，范围更低，例如430至540℃，诸如对于在InAs(001)表面上InAs的生长为450℃并且对于在GaSb(111)表面上GaSb的生长为465℃。在GaSb(001)表面上GaSb的生长可以发生在490℃。技术人员将发现适当的温度。
通过同时地(连续的(模拟或数字)MBE生长)或交替地(MEE、ALMBE)打开Ga/In泄流单元的闸和抗衡离子泄流单元(例如砷或锑)的闸和/或阀可以开始膜生长。.
泄流单元的温度可以用于控制生长速率。便捷的生长速率是0.05至2μm每小时，例如1μm每小时。
依赖于被生长的膜的性质，也可以调节分子束的束当量压力(通量)。束当量压力的合适水平是在1x 10-8和1x 10-5Torr之间。
反应物(例如III族原子和V族分子)之间的束通量比率可以变化，优选的通量比率依赖于其他的生长参数和被生长的膜的性质。
MBE的显著的好处是生长的膜可以被原位分析，例如通过使用反射高能电子衍射(RHEED)。RHEED是通常用于表征晶体材料的表面的技术。在膜通过其他技术诸如MOVPE形成的情况，此技术不那么容易地实施。
如以上所指出的，本发明的膜被优选地生长为立方(闪锌矿)或六方(纤锌矿)结构。形成膜的材料的性质也在本发明的范围内，该膜在生长过程期间将被改变。因而，通过改变分子束的性质，一部分不同的结构将被引入到膜中。可以用InAs膜部分，延伸初始GaAs膜，例如通过从Ga进料改变为In进料。然后通过改变回Ga进料可以用GaAs膜部分延伸GaAs/InAs膜，等等。在生长过程期间膜中包括纳米结构也在本发明的范围内，例如GaAs基体中的InAs或GaSb量子点。这些纳米结构的生长对技术人员将是已知的。再一次地，通过发展带有不同电子性能的不同结构，本发明人提供带有感兴趣的和可以操纵的电子性能的膜，其可以由制造者根据所有形式的终端应用定制。
当基层存在时，优选地使用以上所述的一种技术，沉积基层，例如ALMBE。其后，半导体的形成按照以上的说明。
在一个实施方式中，在初始元素基层膜——其通常是Sb层——被沉积之后，第二元素层，其通常是不同材料，可以被沉积，诸如Ga层。可能值得的是，在开始生长期望的半导体之前放置诸如Sb和Ga的交替的原子层但优选地仅放置Ga的一个原子层并且这标志GaSb层的开始，在其上可以生长例如InAs或三元或四元化合物。
也可能有用的是，分别初始地施加半导体组分的通量。因而，在联合同步通量可以被用于生长膜之前，元素(III)的通量被施加并且然后是元素(V)，或可选地以相反的顺序。
如果使用热敏感的基层，诸如Sb基层，一旦建立III-V膜生长，温度可以被升高至常规的外延沉积温度。所生长的半导体膜不需要与基层相同或者包含基层的元素(一种或多种)。
基层或主膜可以被掺杂。一旦半导体膜生长已经开始，掺杂可以开始。如果存在，掺杂应当开始于几个原子层到膜形成。这将理想地引入欧姆接触到膜。优选的掺杂剂是Si或Te。可选地，掺杂剂可以是Be或Mg。Mg被用作p-型氮化物的优选的掺杂剂。Be被用作p-型砷化物和锑化物的优选的掺杂剂。Si被用作n-型砷化物和氮化物的优选的掺杂剂，而Te被用作n-型锑化物的优选的掺杂剂。
应当理解的是仅掺杂膜的部分/多部分是可能的，例如对于特定组分使用离子移植。因此掺杂可以在生长之后过程发生。
在一个实施方式中，膜可以生长在被提供有掩模的衬底上。掩模保护衬底但限定了孔的图案，预期膜在其中生长。例如，二氧化硅或氧化铝掩模可以被施加在石墨衬底，掩模中有孔的图案，膜生长通过其中发生。一旦膜沉积已经发生，掩模可以被留在适当位置，部分移除或完全移除，例如通过蚀刻，以在衬底上留下对应于掩模中的孔位置的一系列的薄膜。
应用
本发明的膜具有广泛范围的应用。它们是半导体因此可以被预期在其中半导体技术是有用的任何领域提供应用。它们主要用在电子和光电子应用中，例如在太阳能电池、光检测器、发光二极管(LED)、波导和激光器中。
用于部署它们的理想设备可以是薄膜太阳能电池。这种太阳能电池同时具有高效、廉价和质量轻的潜力。这是快速发展的领域并且在接下来的几年中将发现这些有价值的材料的进一步应用。
现在将相对于以下非限制性的实施例和图对本发明进行进一步的讨论。
附图说明
图1a-d显示了当半导体原子被放置1)H-和B-位点(图1a、b和d)，以及2)在石墨烯上的H-或B-位点(图1c)时的原子排列。在图1e中，相对于它们的晶格常数绘制了III-V半导体(以及Si和ZnO)的带隙能量。垂直实心(虚线)彩色线条描绘了理想的晶体的晶格常数，该理想的晶体对于立方(六方)晶体将给出与石墨烯的完美的晶格匹配，相对于石墨烯有四个不同原子排列(图1a-d)。在一些二元半导体的情况下，对于一个建议的原子构造，与石墨烯的晶格失配是非常小的(例如InAs、GaSb和ZnO)。对于其他的二元半导体像GaAs，晶格失配是非常大的并且在两个不同原子构造之间(如图1b或图1c中)。从图中可以认识到，许多三元、四元和五元半导体可以完美地晶格匹配于石墨烯。
图2显示了MBE实验装置。
图3是载体、石墨烯层、基层和顶部半导体层的理论侧视图。
图4显示了直接生长在Kish石墨表面上的GaSb的薄膜。
图5显示对于SbGp13，三角状形状的GaSb片状物确认与石墨衬底的外延关系。
实验过程:
薄膜在Varian Gen II Modular分子束外延(MBE)系统中生长，该系统装配有普通铝纤丝单元、镓双纤丝单元、In SUMO双纤丝单元、As阀控裂解单元(As valved crackercell)和Sb阀控裂解单元(Sb valved cracker cell)，允许使二聚体和四聚体的比例固定。在本研究中，砷的主要种类是As2，并且锑是Sb2。
薄膜的生长或者在Kish石墨薄片或在石墨烯膜(1至7个单层厚，优选地仅一个单层厚)上进行，该石墨烯膜或者通过生化学气相沉积(CVD)技术直接在金属膜诸如Cu、Ni和Pt上生长，或者通过使用高温升华技术在SiC衬底上生长。石墨烯膜样品从外部供应商购买。CVD石墨烯膜是从美国的“Graphene Supermarket”购买的。
用异丙醇清洗CVD石墨烯膜样品，接着用氮气吹干，并且然后铟键合至硅晶片。石墨烯/SiC衬底用氮气吹干，并且然后铟键合至硅晶片。
样品然后被装载到MBE系统用于薄膜生长。样品在550℃(或更高)的衬底温度下退火10分钟的持续时间以去除衬底上的任意氧化物剩余物。III-V膜的沉积通常通过三步骤(如果使用基层)或两步骤生长方法完成。在使用基层的情况下，第一步骤包括在较低的衬底温度在石墨层上沉积V族元素(或V族元素的合金)，如以下描述的。第二步骤包括在与沉积V族元素(或V族合金)所使用的类似的较低的衬底温度生长III-V膜。第三步骤包括在通常用于研究中的III-V化合物的正常的外延生长的较高温度下沉积III-V膜(一个或多个)。以上的第二步骤是优选的以避免在第三步骤期间V族元素(或V族合金)的脱附。
实施例1:
在550℃石墨烯衬底退火之后，衬底温度然后被降低至通常200℃和300℃之间用于Sb沉积。依赖于Sb通量和衬底温度，首先通常在5s至1分钟范围内的时间间隔期间将Sb通量施加至表面。然后，优选地通过MEE或ALMBE生长几纳米，优选地小于几十纳米的Sb。然后，衬底温度被升高至适合用于GaSb薄膜生长的温度：即大约450℃。预先设定Ga泄流单元的温度以便产生0.3μm每小时的标称平面生长速率。Sb2通量被设定为1×10-6Torr以在此温度生长GaSb薄膜。GaSb薄膜被掺杂至适当的水平，在该水平装置结构将在此薄膜模板结构的顶部上生长。
实施例2:
在550℃石墨烯衬底退火之后，衬底温度被降低至15℃和80℃之间用于As沉积，温度取决于沉积速率所想要的温度。通常在5s至1分钟的时间间隔期间，As通量被首先施加至表面。优选地通过MEE或ALMBE生长几纳米，优选地小于几十纳米的InAs。然后，衬底温度被升高至适合用于InAs薄膜生长的温度：即大约450℃。预先设定In泄流单元的温度以产生高达0.7μm每小时的标称平面生长速率。As2通量被设定至6×10-6Torr以在此温度形成InAs薄膜。InAs薄膜被掺杂至适当的水平，在该水平装置结构将在此薄膜模板结构的顶部生长。
实施例1和2中制备的本文称为III-V/GP薄膜衬底的衬底可以用作用于制造许多光电子或电子设备和太阳能电池的模板。
在以下的实施例3-4中，我们描述了1)在III-V/GP薄膜衬底上沉积p-i-n掺杂的同质结GaSb薄膜和2)在III-V/GP薄膜衬底上沉积p-n掺杂的异质结构GaSb/InGaAsSb薄膜。这些薄膜结构意欲用于诸如发光二极管和光检测器的应用。
实施例3:
p-i-n掺杂的同质结GaSb薄膜被进一步生长在实施例1的III-V/GP薄膜衬底上以将其用作光检测器。每个p-掺杂、n-掺杂和本征III-V外延层的厚度通常保持在0.5和3μm之间。对于p-型掺杂，使用Be。Te被使用作n-掺杂剂。Be单元温度被设定至990℃，其给出3×1018cm-3的标称p-型掺杂浓度。Te单元温度被设定至440℃，其给出1×1018cm-3的标称n-型掺杂浓度。所有层的沉积温度被设定为450℃。预先设定Ga泄流单元的温度以产生0.7μm每小时的标称平面生长速率，并且Sb2通量被设定为1×10-6Torr以生长GaSb薄膜。
实施例4:
p-型_GaSb/本征_GaInAsSb/n-型_GaSb薄膜被进一步生长在III-V/GP薄膜衬底上。调节本征GaInAsSb的组分使得其晶格-匹配于GaSb。每个这些三个外延层的厚度通常保持在0.5和3μm之间。对于p-型掺杂，使用Be。Te被用作用于GaInAsSb外延层的n-掺杂剂。Be单元温度被设定至990℃，其给出3×1018cm-3的标称p-型掺杂浓度。Te单元温度被设定为440℃，其给出1×1018cm-3的标称n-型掺杂浓度。
实施例5:
n-型GaSb/n+GaInAsSb/p-GaInAsSb/p+GaInAsSb薄膜被进一步生长在III-V/GP薄膜衬底上以将其用作光检测器。调节GaInAsSb的组分使得其晶格匹配于GaSb。每个这些外延层的厚度通常保持在0.5和3μm之间。对于p-型掺杂，使用Be。Te被用作用于GaInAsSb外延层的n-掺杂剂。Be单元温度被设定至990℃，其给出1×1018cm-3的标称p+型掺杂浓度，并且Be单元温度被设定至940℃，其给出9×1016cm-3的标称p-型掺杂浓度。Te单元温度被设定至440℃，其给出1×1018cm-3的标称n-型掺杂浓度。
实施例6:
将一系列的薄膜直接生长在Kish石墨上。表1中总结了生长条件。在550℃样品退火之后，衬底温度被降低至第2栏中显示的薄膜生长的温度。图4中的SEM图像显示了我们已经在Kish石墨上生长GaSb晶体材料。
成核：样品SbGp13、SbGp22和SbGp17显示了GaSb在Kish石墨上成核并且由于与石墨表面的外延关系形成三角状形状的GaSb片状物。在300℃用常规的MBE以及在200℃和在300℃用MEE(MBE中迁移增强的外延方法)可以实现成核。在每种情况下沉积在Kish石墨上的材料等于3个单层(ML)的GaSb。
薄膜：样品SbGp24/26/27/31显示了可以使用两步骤生长方法(在300℃的MEE成核步骤+在300-520℃的MBE生长)将具有100nm标称厚度的GaSb的几乎连续的膜生长在Kish石墨上。
根据这种两步骤方法(在低温下的MEE步骤+在较高温度下的MBE步骤)生长样品SbGp26/27/31，即Sb基层不用于这些样品。
Figure BDA0002473624760000251
Figure BDA0002473624760000261

Claims (19)

1.一种包括物质组合物的光电子设备，所述物质组合物包括在具有20nm或更小的厚度的石墨衬底上的膜，其中所述组合物以如下的顺序包括，
(a)石墨衬底，
(b)在所述衬底上外延生长的基层，其中所述基层是GaSb、InAs、AsSb、SbBi、AlAs、AlSb、Sb、AlAsSb、AlInSb、InGaSb或AlInAs；和
(c)包括至少一种III-V族化合物的膜；
其中所述基层(b)和所述膜(c)不相同。
2.权利要求1所述的光电子设备，其中膜生长发生在存在于衬底上的掩模的孔中。
3.一种包括物质组合物的光电子设备，所述物质组合物包括在具有20nm或更小的厚度的石墨衬底上的膜，其中所述组合物以如下的顺序包括，
(a)石墨衬底，
(b)在所述衬底上的有孔图案的掩模，
(c)通过所述掩模的孔在所述衬底上外延生长的基层膜，其中所述基层膜是三元或四元III-V族化合物；和
(d)包括至少一种III-V族化合物的膜；
其中所述基层膜(b)和所述膜(c)不相同。
4.权利要求1或3所述的光电子设备，其中所述基层膜与所述石墨衬底的晶格失配是2.5％或更少。
5.权利要求1或3所述的光电子设备，其中III-V族化合物的所述膜或部分所述膜被掺杂。
6.权利要求1或3所述的光电子设备，其中所述石墨衬底被承载在载体上。
7.权利要求1或3所述的光电子设备，其中所述膜的所述V族原子是N。
8.权利要求1或3所述的光电子设备，其中所述膜的所述III族原子是Ga、Al和/或In。
9.权利要求1或3所述的光电子设备，其中所述膜不包括AlN。
10.权利要求1所述的光电子设备，其中所述基层是GaSb、InAs、AlSb、AlAs、AsSb(例如As0.08Sb0.92)、SbBi(例如Sb0.45Bi0.55)或Sb。
11.权利要求1或3所述的光电子设备，其中所述基层和/或所述膜是使用分子束外延(MBE)、迁移增强外延(MEE)、金属有机CVD和/或原子层分子束外延(ALMBE)生长的。
12.权利要求1或3所述的光电子设备，其中所述膜是三元、四元或五元III-V族膜。
13.权利要求1或3所述的光电子设备，其中所述基层(b)和膜(c)的组合厚度是至少250nm。
14.权利要求1或3所述的光电子设备，其中所述膜包括不同层中的多种(III)(V)族化合物。
15.权利要求1或3所述的光电子设备，其中所述基层包括AlAsSb、AlInSb、InGaSb或AlInAs。
16.权利要求1或3所述的光电子设备，其中所述基层被掺杂。
17.一种用于制备光电子设备的方法，其包括：
在具有20nm或更小的厚度的石墨衬底上生长膜，其包括以下步骤：
(I)在所述衬底上提供基层，其中所述基层在所述衬底上外延生长，其中所述基层是GaSb、InAs、AsSb、SbBi、AlAs、AlSb、Sb、AlAsSb、AlInSb、InGaSb或AlInAs；
(II)将所述基层与III-V族元素接触，以便在不同层中生长III-V族化合物或多种III-V族化合物的膜；
(III)制备包括步骤(II)的产物的光电子设备。
18.一种用于制备光电子设备的方法，其包括：
在具有20nm或更小的厚度的石墨衬底上生长膜，其包括以下步骤：
(I)在所述衬底上提供基层，其中所述基层在所述衬底上外延生长，其中所述基层膜是三元或四元III-V族化合物；和
(II)将所述基层与III-V族元素接触，以便在不同层中生长III-V族化合物或多种III-V族化合物的膜；
(III)制备包括步骤(II)的产物的光电子设备。
19.权利要求17或18所述的方法，其中所述基层和/或所述膜是使用分子束外延(MBE)、迁移增强外延(MEE)、金属有机CVD和/或原子层分子束外延(ALMBE)生长的。
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