RU2783365C1 - СЛОЙ ТОПОЛОГИЧЕСКОГО ИЗОЛЯТОРА Pb1-хSnхTe:In НА КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОДЛОЖКЕ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ - Google Patents
СЛОЙ ТОПОЛОГИЧЕСКОГО ИЗОЛЯТОРА Pb1-хSnхTe:In НА КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОДЛОЖКЕ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Download PDFInfo
- Publication number
- RU2783365C1 RU2783365C1 RU2022106486A RU2022106486A RU2783365C1 RU 2783365 C1 RU2783365 C1 RU 2783365C1 RU 2022106486 A RU2022106486 A RU 2022106486A RU 2022106486 A RU2022106486 A RU 2022106486A RU 2783365 C1 RU2783365 C1 RU 2783365C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- thickness
- temperature
- thick
- substrate
- Prior art date
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 56
- 239000012212 insulator Substances 0.000 title claims abstract description 30
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 9
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 35
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 35
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims abstract description 9
- 229910005642 SnTe Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N tin hydride Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 claims abstract description 5
- 229910004261 CaF 2 Inorganic materials 0.000 claims description 21
- 229910016036 BaF 2 Inorganic materials 0.000 claims description 20
- OYLGJCQECKOTOL-UHFFFAOYSA-L Barium fluoride Chemical compound [F-].[F-].[Ba+2] OYLGJCQECKOTOL-UHFFFAOYSA-L 0.000 abstract description 4
- WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L Calcium fluoride Chemical compound [F-].[F-].[Ca+2] WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 229910001632 barium fluoride Inorganic materials 0.000 abstract 3
- 229910001634 calcium fluoride Inorganic materials 0.000 abstract 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 77
- 210000004027 cells Anatomy 0.000 description 12
- 239000010408 film Substances 0.000 description 9
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 5
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 4
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N HF Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 4
- 238000001420 photoelectron spectroscopy Methods 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 3
- 229910021397 glassy carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 2
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N N#B Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 206010040844 Skin exfoliation Diseases 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004630 atomic force microscopy Methods 0.000 description 2
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 238000004299 exfoliation Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N iso-propanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N Silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 1
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent Effects 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000002524 electron diffraction data Methods 0.000 description 1
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000010436 fluorite Substances 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium(0) Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052904 quartz Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 1
- PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N tellurium Chemical compound [Te] PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к области трехмерных кристаллических топологических изоляторов. Слой топологического изолятора Pb1-xSnxTe:In на кристаллической подложке состоит из последовательно эпитаксиально выращенных на кристаллической подложке первого слоя Pb1-xSnxTe:In, где х=0,2-0.3 толщиной 0,5-1 мкм с концентрацией индия 0,2-2% и второго слоя Pb1-xSnxTe:In, где х≥0,3 толщиной 10-20 нм с концентрацией индия 0.1-1,5%. Кристаллическая подложка содержит последовательно эпитаксиально выращенные на Si(111) слой CaF2 толщиной 5-15 нм и BaF2 толщиной 10-20 нм. Способ изготовления слоя топологического изолятора Pb1-xSnxTe:In на кристаллической подложке включает последовательное выращивание на предварительно химически очищенной подложке Si(111) слоя CaF2 толщиной 5-15 нм методом молекулярно-лучевой эпитаксии при температуре 230-750°С из эффузионной ячейки, содержащей CaF2 чистотой не менее 99.99%, при остаточном давлении в камере не хуже 5×107 Па со скоростью 0.1-0.3 Å/с, слоя BaF2 толщиной 10-20 нм при температуре 230-750°С из эффузионной ячейки, содержащей BaF2 чистотой не менее 99,99%, слоя Pb1-xSnxTe:In, где х=0,2-0,3 толщиной 0,5-1 мкм при температуре 230-320°С с концентрацией индия 0,2-2% и слоя Pb1-xSnxTe:In толщиной 10-20 нм при температуре 230-320°С с концентрацией индия 0,1-1.5% из двух потоков Pb1-xSnxTe:In и SnTe при соотношении потоков, обеспечивающем концентрацию олова, соответствующую стехиометрической формуле Pb1-xSnxTe с х≥0,3. Задачей настоящего технического решения является разработка обладающего свойствами топологического изолятора слоя Pb1-xSnxTe, легированного индием, на кристаллической подложке, и способа изготовления такого слоя. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к области трехмерных кристаллических топологических изоляторов, которые перспективны для создания элементной базы полупроводниковой наноэлектроники и спинтроники, в том числе устройств для квантовых вычислений (квантовых компьютеров).
Известны слои топологического изолятора Bi2Te3, Bi2Se3 и Sb2Te3 на кристаллической подложке (см. патент CN 106206249B, МПК Y02E 10/50, опубл. 06.12.2019), содержащие тонкие слои топологического изолятора разной толщины. Слои топологического изолятора Bi2Te3, Bi2Se3 и Sb2Te3 на кремниевой кристаллической подложке выполнены толщиной 50 нм-30 мкм. Эти слои получены методом эксфолиации, что, не взирая на посредственное (неэпитаксиальное) качество объектов, позволило провести первые измерения на тонких пленках.
Недостатком известного технического решения является способ их получения. Данные слои получены методом эксфолиации. В результате данные объекты имеют малый размер (микроны), дефектны, толщина пленок плохо контролируется, возможно окисление пленок.
Известен способ изготовления слоев топологического изолятора Bi2Te3, Bi2Se3 и Sb2Te3 на кристаллической подложке (см. патент CN 106206249B, МПК Y02E 10/50, опубл. 06.12.2019), включающий испарение и осаждение материала топологического изолятора на кремниевой подложке с получением топологической изоляционной пленки при температуре 250-450°С; давление рабочего газа находилось в диапазоне 20 Па - 1 кПа, время испарения 5-15 минут; кремниевая подложка обрабатывается плавиковой кислотой. Рабочий газ представляет собой смешанный газ водорода и аргона, объемное соотношение аргона к водороду 20:1-2:1, расстояние между кремниевой подложкой и центром печи 10-20 см, а общий расход рабочего газа 30-50 см3. Достоинством данного способа является его относительная простота и дешевизна.
Недостатком известного способа является то, что невозможно приготовить атомарно-чистую подложку для роста, толщина пленки не контролируется.
Известен слой Pb1-xSnxTe:In с 0.2<х<0.3 на кристаллической подложке (см. патент RU 2278446, МПК H01L 27/14, опубл. 20.06.2006), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. В данном техническом решении запатентован эпитаксиально выращенный на кристаллической подложке BaF2/CaF2/Si(111) одинарный слой Pb1-xSnxTe, легированный индием, как часть конструкции интегрального многоэлементного фотоприемного устройства инфракрасного диапазона. Легирование индием проводилось из источника InxTey однородно по объему растущей пленки.
Недостатком известного слоя Pb1-xSnxTe:In с 0.2<х<0.3 на кристаллической подложке является то, что он не обладает свойствами топологического изолятора для дальнейшего применения в полупроводниковой спинтронике.
Известен способ изготовления слоя Pb1-xSnxTe на кристаллической подложке (см. заявку US4033843, МПК С23С-014/35, опубл. 27.05.1976), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ-прототип включает ионное распыление из одиночной мишени слоя Pb1-xSnxTe на гладкую кристаллическую подложку, например, CaF2(111), CaF2(100) или BaF2 (111) в выбранной атмосфере инертного газа в реакционной зоне после предварительного вакуумирования указанной реакционной зоны до по меньшей мере около 10-7 торр, при этом температура подложки выбирается в диапазоне 220-350°С, а скорость роста пленки выбирается в диапазоне 0.1-3.0 мкм/час, при этом более высокая из указанных скоростей роста обычно используется при более высокой из указанных температур, а более низкая из указанных скоростей роста обычно используется при более низкой из указанных температур.
Способ-прототип позволяет получить фоточувствительный в инфракрасном диапазоне слой Pb1-xSnxTe высокого качества, однако не обладает свойствами топологического изолятора для дальнейшего применения в полупроводниковой спинтронике.
Задачей настоящего технического решения является разработка обладающего свойствами топологического изолятора слоя Pb1-xSnxTe, легированного индием, на кристаллической подложке, и способа изготовления такого слоя.
Поставленная задача решается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом.
В части устройства поставленная задача решается тем, что слой топологического изолятора Pb1-xSnxTe:In на кристаллической подложке состоит из последовательно эпитаксиально выращенных на кристаллической подложке первого слоя Pb1-xSnxTe:In, где х=0.2-0.3 толщиной 0.5-1 мкм с концентрацией индия 0.2-2% и второго слоя Pb1-xSnxTe:In, где х≥0.3 толщиной 10-20 нм с концентрацией индия 0.1-1.5%. Кристаллическая подложка содержит последовательно эпитаксиально выращенные на Si(111) слой CaF2 толщиной 5-15 нм и BaF2 толщиной 10-20 нм.
Новым в настоящем техническом решении является тот факт, что слой Pb°1°-xSnxTe, легированный индием, не одиночный, как в прототипе, а состоит из последовательно эпитаксиально выращенных на кристаллической подложке первого слоя Pb1-xSnxTe:In, где х=0.2-0.3 толщиной 0.5-1 мкм с концентрацией индия 0.2-2% и второго слоя Pb1-xSnxTe:In, где х≥0.3 толщиной 10-20 нм с концентрацией индия 0.1-1.5%, таким образом, комбинированный слой Pb1-xSnxTe, легированный индием, имеет различное значение концентрации индия в объеме и в приповерхностной области, что позволяет выморозить проводящие состояния в объеме при гелиевых температурах, при которых осуществляются измерения, и сохранить проводящие состояния приповерхностного слоя. Полученный бинарный слой Pb1-xSnxTe:In с различной концентрацией индия обеспечивает существование проводящих поверхностных топологических состояний. Полученные таким образом объекты смогут служить основой новой элементной базы электроники в ходе ее дальнейшей миниатюризации, в качестве основы для полупроводниковых элементов с низким энергопотреблением.
Формирование многослойной подложки BaF2/CaF2/Si(111) дает лучшую согласованность постоянной решетки с PbSnTe и, как следствие, лучшую сплошность слоя (при меньшей толщине) и лучшую морфологию поверхности (гладкость). Слой Pb1-xSnxTe:In с «х» в диапазоне 0.2-0.3 на кристаллической подложке BaF2/CaF2/Si(111) толщиной 0.5-1 мкм и с концентрацией индия 0.2-2% является изолирующим (вымораживающим). Его основное предназначение - выполнять роль согласованной по постоянной решетке изолирующей подложки для роста последующего тонкого слоя топологического изолятора. Верхний топологический слой Pb1-xSnxTe:In имеет толщину 10-20 нм с концентрацией индия 0.1-1.5% и х≥0.3. В Pb1-xSnxTe:In при х≥0.3 происходит инверсия зон и появляется поверхностное топологическое состояние. Наличие тонкого слоя топологического изолятора позволит исключить шунтирующее действие подложки и изучить/создать спин-зависимые эффекты/приборы.
В части способа поставленная задача решается тем, что способ изготовления слоя топологического изолятора Pb1-xSnxTe:In на кристаллической подложке включает последовательное выращивание на предварительно химически очищенной подложке Si(111) слоя CaF2 толщиной 5-15 нм методом молекулярно-лучевой эпитаксии при температуре 230-750°С из эффузионной ячейки, содержащей CaF2 чистотой не менее 99.99%, при остаточном давлении в камере не хуже 5×10-7 Па со скоростью 0.1-0.3 Å/с, слоя BaF2 толщиной 10-20 нм при температуре 230-750°С из эффузионной ячейки, содержащей BaF2 чистотой не менее 99.99%, слоя Pb1-xSnxTe:In, где х=0.2-0.3 толщиной 0.5-1 мкм при температуре 230-320°С с концентрацией индия 0.2-2% и слоя Pb1-xSnxTe:In толщиной 10-20 нм при температуре 230-320°С с концентрацией индия 0.1-1.5% из двух потоков Pb1-xSnxTe:In и SnTe при соотношении потоков, обеспечивающем концентрацию олова, соответствующую стехиометрической формуле Pb1-xSnxTe с х≥0.3.
Подложка Si (111) может быть очищена методом Шираки.
Новым в настоящем техническом решении является тот факт, что слой Pb°1°-xSnxTe, легированный индием, выращивается на кристаллической подложке методом молекулярно-лучевой эпитаксии из двух эффузионных ячеек, с осуществлением разбавления Pb1-xSnxTe материалом SnTe, что понижает относительную концентрацию индия и при этом позволяет избежать обеднения слоя теллуром. Также включение SnTe позволяет сдвинуть по составу Pb1-xSnxTe в область топологического изолятора (увеличение х). Таким образом, новым является технологический прием, позволяющий за счет включения второго источника SnTe одновременно понизить концентрацию индия с полезным ростом концентрации олова в поверхностном слое бинарной гетероструктуры. Использование тройной подложки BaF2/CaF2/Si(111) дает лучшую согласованность постоянной решетки с Pb1-xSnxTe, чем при использовании каждого из подслоев по отдельности, и, как следствие, дает лучшую сплошность слоя (при меньшей толщине) и лучшую морфологию поверхности (гладкость).
Толщина слоя CaF2 менее 5 нм не гарантирует диэлектрической изоляции пленки Pb1-xSnxTe от подложки. Толщина свыше 15 нм не обеспечивает достаточной гладкости пленки. Температура роста CaF2 вне диапазона 230-750°С не обеспечивает достаточной гладкости и достаточного кристаллического качества слоя. Скорость роста CaF2 вне диапазона 0.1-0.3 Å/с может не обеспечивать достаточного кристаллического качества слоя. Толщина слоя BaF2 менее 10 нм не гарантирует достаточного кристаллического качества слоя, а также перехода на постоянную решетки, близкую к таковой у объемных кристаллов BaF2. Толщина свыше 20 нм не обеспечивает достаточной гладкости пленки. Температура роста BaF2 вне диапазона 230-750°С не обеспечивает достаточной гладкости и достаточного кристаллического качества слоя. Толщина первого подслоя Pb1-xSnxTe:In менее 500 нм не гарантирует достаточного кристаллического качества и гладкости слоя. Толщина свыше 1000 нм вероятно, является допустимой, но приводит к излишнему расходу материала. Температура роста Pb1-xSnxTe:In вне диапазона 230-320°С не обеспечивает достаточной гладкости и достаточного кристаллического качества слоя. Концентрация индия менее 0.2% приводит к формированию проводящего слоя, что недопустимо. Концентрации индия более высокие, чем 1.5-2%, также приводят к проводящему слою.
Настоящее техническое решение поясняется чертежами:
На фиг. 1 приведена измеренная методом атомно-силовой микроскопии морфология поверхности слоя топологического изолятора Pb1-xSnxTe:In на кристаллической подложке из примера 1;
На фиг. 2 приведены результаты измерения фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением диэлектрического слоя Pb0.7Sn0.3Te:In из примера 1;
На фиг. 3 приведены результаты измерения фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением слоя топологического изолятора Pb1-xSnxTe:In, где х≥0.3 из примера 1.
Настоящий слой топологического изолятора Pb1-xSnxTe:In на кристаллической подложке содержит первый слой Pb1-xSnxTe:In, где х=0.2-0.3 толщиной 0.5-1 мкм с концентрацией индия 0.2-2% и второй слой Pb1-xSnxTe:In, где х≥0.3 толщиной 10-20 нм с концентрацией индия 0.1-1.5%. Кристаллическая подложка содержит последовательно эпитаксиально выращенные на Si(111) слой CaF2 толщиной 5-15 нм и BaF2 толщиной 10-20 нм.
Настоящий способ изготовления слоя Pb1-xSnxTe:In на кристаллической подложке осуществляется следующим образом. Способ включает выращивание на предварительно химически очищенной подложке Si(111) слоя CaF2 толщиной 5-15 нм традиционным методом молекулярно-лучевой эпитаксии при температуре 230-750°С из эффузионной ячейки, содержащей CaF2 чистотой не менее 99.99%, при остаточном давлении в камере не хуже 5×107 Па со скоростью 0.1-0.3 Å/с, слоя BaF2 толщиной 10-20 нм при температуре 230-750°С из эффузионной ячейки, содержащей BaF2 чистотой не менее 99.99%. Эпитаксиальная установка для выращивания эпитаксиальных слоев фторидов кальция и бария должна обеспечивать сверхвысокий вакуум не хуже 10-6 Па или выше. Выращивание каждого слоя происходит из одной эффузионной ячейки. Ячейка представляет собой тигель (стеклоуглеродный, нитрид-боровый и т.д.) с термическим нагревом и контролем температуры по термопаре. Предпочтительно применение стеклоуглеродных тиглей как более термостойких. Контроль скорости роста осуществляется по показаниям установленного в камере кварцевого толщиномера, либо по осцилляциям зеркального рефлекса картины дифракции быстрых электронов, либо иным возможным способом. Далее методом молекулярно-лучевой эпитаксии последовательно выращиваются диэлектрический слой Pb1-xSnxTe:In, где х=0.2-0.3 толщиной 0.5-1 мкм при температуре 230-320°С с концентрацией индия 0.2-2% и слой топологического изолятора Pb1-xSnxTe:In толщиной 10-20 нм при температуре 230-320°С с концентрацией индия 0.1-1.5% из двух потоков Pb1-xSnxTe:In и SnTe при соотношении потоков, обеспечивающем концентрацию олова, соответствующую стехиометрической формуле Pb1-xSnxTe с х≥0.3. Данная концентрация олова обеспечивает наличие поверхностных топологических состояний Диэлектрический эпитаксиальный слой Pb1-xSnxTe:In также наносится из одной эффузионной ячейки с нитрид-боровым или стеклоуглеродным тиглем. Тонкий слой топологического изолятора Pb1-xSnxTe:) с избытком олова, обеспечивающим наличие топологических свойств данного слоя, наносится из двух эффузионных ячеек, заряженных PbSnTe:In и SnTe, одновременно. Конструкция ячеек и контроль скорости аналогичны случаю флюоритовых буферных слоев, описанному выше.
Монокристаллическая кремниевая подложка Si должна иметь ориентацию поверхности (111) и может быть очищена методом Шираки, предпочтительная разориентация - несколько угловых минут, хотя допустима и большая разориентация. Суть метода Шираки в последовательном химическом нанесении и стравливании тонкого окисла, что в конечном итоге приводит к созданию тонкого равномерного окисла на поверхности подложки. Нанесение осуществляется путем кипячения в азотной кислоте, и, на финальной стадии, в соляно-перекисном растворе. Стравливание окисла происходит путем погружения в плавиковую кислоту. Перед нанесением окисла подложка последовательно очищается кипячением в изопропиловым спирте, а также в аммиачно-перекисном растворе. Удаление финального слоя окисла осуществляется термически, в камере эпитаксиальной установки, путем быстрого нагрева подложки (в течение 2-5 минут) до температуры 1250°С. После этого подложка выдерживается в течение 5-15 минут при температуре 1000°С, что обеспечивает термическое выглаживание рельефа поверхности. Допустимы и другие, более низкотемпературные, варианты очистки поверхности от окисла, критерием их применимости является отсутствие на итоговой поверхности кремния признаков формирования карбида кремния, а также наличие сверхструктуры 7×7, что свидетельствует об атомарной чистоте поверхности.
Пример 1. Был выращен слой топологического изолятора Pb1-xSnxTe:In на кристаллической подложке, содержащий первый слой Pb0.7Sn0.3Te:In толщиной 1 мкм и второй слой Pb1-xSnxTe:In, где х≥0.3 толщиной 20 нм. Кристаллическая подложка содержит последовательно эпитаксиально выращенные на Si(111) слой CaF2 толщиной 15 нм и BaF2 толщиной 10 нм. На рисунке 1 приведена измеренная методом атомно-силовой микроскопии морфология поверхности данного слоя топологического изолятора Pb1-xSnxTe:In на кристаллической подложке. Из рисунка видно, что поверхность итогового слоя очень гладкая (высота рельефа менее 4 нм на полумикронном масштабе), что обеспечивает возможность формирования поверхностных топологических состояний. На рисунке 3 приведены результаты измерения фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением диэлектрического слоя Pb0.7Sn0.3Te:In. На рисунке 3 приведены результаты измерения фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением слоя Pb1-xSnxTe:In, где х≥0.3. Из рисунка 3 видно, что дисперсия поверхностных состояний имеет вид Дираковского конуса, соответствующего топологическим поверхностным состояниям.
Пример 2. Слой топологического изолятора Pb1-xSnxTe:In на кристаллической подложке из примера 1 был выращен следующим способом. Было проведено последовательное выращивание на предварительно химически очищенной методом Шираки подложке Si(111) слоя CaF2 толщиной 10 нм методом молекулярно-лучевой эпитаксии при температуре 250°С из эффузионной ячейки, содержащей CaF2 чистотой 99.99%, при остаточном давлении в камере 1×107 Па со скоростью 0.2 Å/с, слоя BaF2 толщиной 15 нм при температуре 250°С из эффузионной ячейки, содержащей BaF2 чистотой 99.99%, слоя Pb1-xSnxTe:In толщиной 1 мкм при температуре 250°С с концентрацией индия 1% и слоя Pb1-xSnxTe:In при температуре толщиной 20 нм при температуре 250°С с концентрацией индия 0.5% из двух потоков Pb1-xSnxTe:In и SnTe при соотношении потоков, обеспечивающем концентрацию олова, соответствующую стехиометрической формуле Pb1-xSnxTe с х=0.4.
Claims (3)
1. Слой топологического изолятора Pb1-xSnxTe:In на кристаллической подложке, состоящий из последовательно эпитаксиально выращенных на кристаллической подложке первого слоя Pb1-xSnxTe:In, где х=0,2-0,3 толщиной 0,5-1 мкм с концентрацией индия 0,2-2% и второго слоя Pb1-xSnxTe:In, где х≥0,3 толщиной 10-20 нм с концентрацией индия 0,1-1,5%, при этом кристаллическая подложка содержит последовательно эпитаксиально выращенные на Si(111) слой CaF2 толщиной 5-15 нм и BaF2 толщиной 10-20 нм.
2. Способ изготовления слоя топологического изолятора Pb1-xSnxTe:In на кристаллической подложке, включающий последовательное выращивание на предварительно химически очищенной подложке Si(111) слоя CaF2 толщиной 5-15 нм методом молекулярно-лучевой эпитаксии при температуре 230-750°С из эффузионной ячейки, содержащей CaF2 чистотой не менее 99,99%, при остаточном давлении в камере не хуже 5×10-7 Па со скоростью 0,1-0,3 Å/с, слоя BaF2 толщиной 10-20 нм при температуре 230-750°С из эффузионной ячейки, содержащей BaF2 чистотой не менее 99,99%, слоя Pb1-xSnxTe:In, где х=0,2-0,3 толщиной 0,5-1 мкм при температуре 230-320°С с концентрацией индия 0,2-2% и слоя Pb1-xSnxTe:In толщиной 10-20 нм при температуре 230-320°С с концентрацией индия 0,1-1,5% из двух потоков Pb1-xSnxTe:In и SnTe при соотношении потоков, обеспечивающем концентрацию олова, соответствующую стехиометрической формуле Pb1-xSnxTe с х≥0,3.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что подложку Si (111) очищают методом Шираки.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2783365C1 true RU2783365C1 (ru) | 2022-11-11 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100192164B1 (ko) * | 1994-12-30 | 1999-06-15 | 김영환 | 반도체 장치의 소자 분리방법 |
| US7279399B2 (en) * | 2002-09-29 | 2007-10-09 | Advanced Analogic Technologies, Inc. | Method of forming isolated pocket in a semiconductor substrate |
| RU2328795C2 (ru) * | 2004-01-29 | 2008-07-10 | Азур Спэйс Солар Пауэр Гмбх | Полупроводниковая структура, имеющая активные зоны (варианты) |
| RU2567021C2 (ru) * | 2009-10-02 | 2015-10-27 | АМБАЧЕР Эл.Эл.Си. | Пленки с чрезвычайно низким сопротивлением и способы их модифицирования или создания |
| RU2694086C1 (ru) * | 2018-12-25 | 2019-07-09 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Гибридный фотопреобразователь, модифицированный максенами |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100192164B1 (ko) * | 1994-12-30 | 1999-06-15 | 김영환 | 반도체 장치의 소자 분리방법 |
| US7279399B2 (en) * | 2002-09-29 | 2007-10-09 | Advanced Analogic Technologies, Inc. | Method of forming isolated pocket in a semiconductor substrate |
| RU2328795C2 (ru) * | 2004-01-29 | 2008-07-10 | Азур Спэйс Солар Пауэр Гмбх | Полупроводниковая структура, имеющая активные зоны (варианты) |
| RU2567021C2 (ru) * | 2009-10-02 | 2015-10-27 | АМБАЧЕР Эл.Эл.Си. | Пленки с чрезвычайно низким сопротивлением и способы их модифицирования или создания |
| RU2694086C1 (ru) * | 2018-12-25 | 2019-07-09 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Гибридный фотопреобразователь, модифицированный максенами |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6589362B2 (en) | Zinc oxide semiconductor member formed on silicon substrate | |
| Hu et al. | Reactive‐ion etching of GaAs and InP using CCl2F2/Ar/O2 | |
| Yamada et al. | Low temperature epitaxy by ionized‐cluster beam | |
| Cho et al. | Structural transition of crystalline Y2O3 film on Si (111) with substrate temperature | |
| JPH06244407A (ja) | （１１１）方位緩衝層を有する多層構造体 | |
| WO2021174527A1 (zh) | 一种黑磷薄膜、其制备方法和应用 | |
| US3902924A (en) | Growth of mercury cadmium telluride by liquid phase epitaxy and the product thereof | |
| WO2003082482A1 (en) | Method for producing boride thin films | |
| US5262361A (en) | Via filling by single crystal aluminum | |
| Lakshmikumar et al. | Novel two-stage selenization process for the preparation of ZnSe films | |
| EP1737045B1 (en) | Substrate with organic thin film and transistor using same | |
| RU2783365C1 (ru) | СЛОЙ ТОПОЛОГИЧЕСКОГО ИЗОЛЯТОРА Pb1-хSnхTe:In НА КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОДЛОЖКЕ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ | |
| Sasase et al. | Formation of ‘environmentally friendly’semiconductor (β-FeSi2) thin films prepared by ion beam sputter deposition (IBSD) method | |
| KR900001667B1 (ko) | 반도체장치용 에피택셜절연막 및 그 제조방법 | |
| US4935382A (en) | Method of making a semiconductor-insulator-semiconductor structure | |
| Takigawa et al. | Hetero-epitaxial growth of lower boron phosphide on silicon substrate using PH3-B2H6-H2 system | |
| Berg et al. | Structure and morphology of chemical‐sprayed CdS films | |
| KR102405011B1 (ko) | ReS2 박막 형성 방법 및 이를 이용한 광 검출기 형성 방법 | |
| Cho et al. | Temperature dependence of the properties of heteroepitaxial Y 2 O 3 films grown on Si by ion assisted evaporation | |
| Bodnar et al. | Structural and optical properties of AgIn5S8 films prepared by pulsed laser deposition | |
| EP0107325B1 (en) | Method of making oxide films | |
| Oishi et al. | Growth and characterization of CuGaS2 thin films on (100) Si by vacuum deposition with three sources | |
| Stall | Growth of refractory oxide films using solid oxygen sources in a molecular beam epitaxy apparatus | |
| Emziane et al. | Opto-electrical characterization of γ-In2Se2. 5Te0. 5thin layers☆ | |
| Kim et al. | Dependence of the structural, the electrical, and the optical properties on the Ar/O2 flow-rate ratios for SnO2 thin films grown on p-InP (1 0 0) substrates at low temperature |