本發(fā)明屬于薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高電導(dǎo)率的GeBi合金薄膜及其制備方法，該薄膜可廣泛應(yīng)用于紅外光電探測器。
背景技術(shù)：
光電探測器是利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種探測器，而光電導(dǎo)效應(yīng)是指輻照引起被照射材料電導(dǎo)率變化的一種物理現(xiàn)象。一般來說，凡是禁帶寬度或雜質(zhì)離化能適合的半導(dǎo)體都具有光電效應(yīng)，都可應(yīng)用于光電探測器。但是在實際應(yīng)用過程中，還需要綜合考慮材料的性能、制備工藝、價格等因素。目前，應(yīng)用較多的光電探測器材料主要有GeSi、GeSn等。
在光通信領(lǐng)域中，密集波分復(fù)用技術(shù)所利用的激光的光波長已經(jīng)從C波段(1.53-1.56μm)擴展到了L波段(1.56-1.62μm)，這不僅要求光電探測器的波長范圍覆蓋C波段和L波段，且需要光電探測器的響應(yīng)截止波長高于2μm。目前，實現(xiàn)波長范圍在2-10μm的中遠紅外光電探測器，并解決其原位可控摻雜是當今國際上關(guān)注的熱點。早在1984年，貝爾電話實驗室(Jay Mathews,Radek Roucka,Junqixe,Shui qing Yu,Jose Menendoz and J.Kouvetakis,Extended performance GeSn/Si(100)p-i-n phototector for full spectral rany telecommunication application,APL.95(2009)133506)采用MBE(分子束外延)法制備得到GeSi薄膜PIN器件，但是該器件的工作波長僅為1.45μm，波長沒有達到C或者L波段。2010年，德國斯圖加特大學(xué)J.Werner等(J.Werner,M.oehme,M.schmind,Mkaschel,Schirmer,E.Kasper and J.Schulze,GeSn P-i-n phototector integrated on sillcon grown by molecular beam epitaxy,98(2011)061108)采用MBE技術(shù)在非常低的襯底溫度下外延生長出Sn含量為0.5％～3％的GeSn薄膜，并制備出工作波長范圍為1.2～1.6μm的PIN紅外探測器。2011年，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所王啟明院士等(Shao Jian,Buwen cheng,Chunlai Xue,Qiming wang,GeSn p-i-n phototector for all telecommunication banda detection,Optical Express,19(2011)6400-6405)采用MBE技術(shù)在Si襯底上生長出較厚的Ge緩沖層，然后通過光刻技術(shù)形成了PIN探測器，該探測器的工作波長范圍是1.3～1.6μm。2015年，S.Wirths等(S.Wirths,R.Geiger,N.von den Driesch,G.Mussler,T.Stoica,S.Mantl,Z.Ikonic,M.Luysberg,S.Chiussi,J.M.Hartmann,H.Sigg,J.Faist,D.Buca1and D.Grützmacher,“Lasing in direct-bandgap GeSn alloy grown on Si”,Nature Photon.9,88–92(2015))在Si基片上成功生長出直接帶隙GeSn薄膜，并首次實現(xiàn)波長約為1.5μm左右的GeSn薄膜探測器。
然而，上述半導(dǎo)體GeSi、GeSn光電探測器的截止波長仍然未突破2.0μm，應(yīng)用波長也未完全覆蓋C波段和L波段。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種新型的GeBi合金薄膜及其制備方法，該薄膜的應(yīng)用波長范圍可完全覆蓋C波段和L波段，且截止波長超過2.3μm，可廣泛應(yīng)用于紅外光電探測器。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
一種GeBi合金薄膜，包括P型硅襯底，以及采用MBE(分子束外延)方法形成于P型硅襯底之上的GeBi合金薄膜。
進一步地，所述GeBi合金薄膜的厚度為150～660nm。
進一步地，所述P型硅襯底為硼摻雜的P型Si(100)基片，其電阻率為1*10-5～2*10-4Ω·cm，對應(yīng)的載流子濃度高達1*1020～1*1021，電導(dǎo)率接近金屬。
進一步地，所述采用分子束外延方法制備GeBi合金薄膜時，以固體Ge材料作為Ge源，固體Bi材料作為Bi源，控制基片溫度為200～400℃，Ge源溫度為1000～1300℃，Bi源溫度為300～600℃，薄膜的生長時間為150～220min，生長速率為1～3nm/min。
進一步地，所述GeBi合金薄膜中，Ge的質(zhì)量分數(shù)為60％～98％，Bi的質(zhì)量分數(shù)為2％～40％。
一種GeBi合金薄膜的制備方法，包括以下步驟：
步驟1：依次采用氫氟酸、去離子水、丙酮、酒精和去離子水清洗P型硅襯底，并采用氮氣吹干；
步驟2：將步驟1清洗干燥后的硅襯底放入分子束外延腔室中，抽真空至2×10-7～5×10-7torr；
步驟3：采用分子束外延法在步驟2的硅襯底上生長薄膜，其中，襯底溫度為200～400℃，Ge源溫度為1000～1300℃，Bi源溫度為300～600℃，生長時間為150～220min，生長速率為1～3nm/min；
步驟4：待薄膜生長完成后，將Bi源溫度降低至400℃以下，Ge源溫度降低至300℃以下，襯底溫度降低至室溫，取出襯底，即可在硅襯底上得到GeBi合金薄膜。
進一步地，步驟4所述Ge源的降溫速率為3～8℃/min，Bi源和襯底的降溫速率為2～8℃/min。
本發(fā)明還提供了上述GeBi合金薄膜在紅外光電探測器中的應(yīng)用。
本發(fā)明的有益效果為：
1、本發(fā)明提出了一種新型的GeBi合金薄膜及其制備方法，在重摻雜P型Si(100)基片上采用MBE法生長得到了GeBi合金薄膜；本發(fā)明通過控制鍺源、鉍源的溫度和生長時間，制備得到了鉍含量高達32.8％的GeBi合金薄膜，遠遠超過了GeBi合金的最大固溶率，有效提升了薄膜的導(dǎo)電性能。
2、本發(fā)明制備得到的GeBi合金薄膜的應(yīng)用波長范圍可完全覆蓋C波段和L波段，且截止波長超過2.3μm，可廣泛應(yīng)用于紅外光電探測器。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實施例1～4制備得到的GeBi合金薄膜的近紅外光響應(yīng)度隨波長變化的曲線圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例，詳述本發(fā)明的技術(shù)方案。
實施例1
一種GeBi合金薄膜的制備方法，包括以下步驟：
步驟1：依次采用氫氟酸、去離子水、丙酮、酒精和去離子水清洗重摻雜P型硅(100)襯底，并采用氮氣吹干；
步驟2：將步驟1清洗干燥后的硅襯底放入分子束外延腔室中，抽真空至3×10-7torr；
步驟3：采用分子束外延法在步驟2的硅襯底上生長薄膜，其中，襯底溫度為350℃，Ge源溫度為1200℃，Bi源溫度為400℃，生長時間為200min，生長速率為2nm/min；
步驟4：待薄膜生長完成后，以5℃/min的速率將Bi源溫度降低至300℃，以2℃/min的速率將Ge源溫度降低至200℃以下，以2℃/min的速率將襯底溫度降低至室溫，取出基片，即可在硅襯底上得到GeBi合金薄膜。
實施例1制備得到的GeBi合金薄膜的性能為：GeBi合金薄膜中Ge的質(zhì)量百分含量為98％，Bi的質(zhì)量百分含量為2％；平均粗糙度Ra：1.013nm；均方根粗糙度RMS：1.196nm；電導(dǎo)率：26.914s/cm；電子濃度：4.80*1016/cm3。
實施例2
一種GeBi合金薄膜的制備方法，包括以下步驟：
步驟1：依次采用氫氟酸、去離子水、丙酮、酒精和去離子水清洗重摻雜P型硅(100)襯底，并采用氮氣吹干；
步驟2：將步驟1清洗干燥后的硅襯底放入分子束外延腔室中，抽真空至3×10-7torr；
步驟3：采用分子束外延法在步驟2的硅襯底上生長薄膜，其中，襯底溫度為350℃，Ge源溫度為1200℃，Bi源溫度為450℃，生長時間為200min，生長速率為2nm/min；
步驟4：待薄膜生長完成后，以5℃/min的速率將Bi源溫度降低至300℃，以2℃/min的速率將Ge源溫度降低至200℃以下，以2℃/min的速率將襯底溫度降低至室溫，取出基片，即可在硅襯底上得到GeBi合金薄膜。
實施例2制備得到的GeBi合金薄膜的性能為：GeBi合金薄膜中Ge的質(zhì)量百分含量為81.7％，Bi的質(zhì)量百分含量為18.3％；平均粗糙度Ra：9.809nm；均方根粗糙度RMS：11.61nm；電導(dǎo)率：384.640s/cm；電子濃度：6.86*1017/cm3。
實施例3
一種GeBi合金薄膜的制備方法，包括以下步驟：
步驟1：依次采用氫氟酸、去離子水、丙酮、酒精和去離子水清洗重摻雜P型硅(100)襯底，并采用氮氣吹干；
步驟2：將步驟1清洗干燥后的硅襯底放入分子束外延腔室中，抽真空至3×10-7torr；
步驟3：采用分子束外延法在步驟2的硅襯底上生長薄膜，其中，襯底溫度為350℃，Ge源溫度為1200℃，Bi源溫度為500℃，生長時間為200min，生長速率為2nm/min；
步驟4：待薄膜生長完成后，以5℃/min的速率將Bi源溫度降低至300℃，以2℃/min的速率將Ge源溫度降低至200℃以下，以2℃/min的速率將襯底溫度降低至室溫，取出基片，即可在硅襯底上得到GeBi合金薄膜。
實施例3制備得到的GeBi合金薄膜的性能為：GeBi合金薄膜中Ge的質(zhì)量百分含量為77.8％，Bi的質(zhì)量百分含量為22.2％；平均粗糙度Ra：12.44nm；均方根粗糙度RMS：15.76nm；電導(dǎo)率：393.051s/cm；電子濃度：7.01*1017/cm3。
實施例4
一種GeBi合金薄膜的制備方法，包括以下步驟：
步驟1：依次采用氫氟酸、去離子水、丙酮、酒精和去離子水清洗重摻雜P型硅(100)襯底，并采用氮氣吹干；
步驟2：將步驟1清洗干燥后的硅襯底放入分子束外延腔室中，抽真空至3×10-7torr；
步驟3：采用分子束外延法在步驟2的硅襯底上生長薄膜，其中，襯底溫度為350℃，Ge源溫度為1200℃，Bi源溫度為550℃，生長時間為200min，生長速率為2nm/min；
步驟4：待薄膜生長完成后，以5℃/min的速率將Bi源溫度降低至300℃，以2℃/min的速率將Ge源溫度降低至200℃以下，以2℃/min的速率將襯底溫度降低至室溫，取出基片，即可在硅襯底上得到GeBi合金薄膜。
實施例4制備得到的GeBi合金薄膜的性能為：GeBi合金薄膜中Ge的質(zhì)量百分含量為67.2％，Bi的質(zhì)量百分含量為32.8％；平均粗糙度Ra：37.06nm；均方根粗糙度RMS：45.65nm；電導(dǎo)率：426.693s/cm；電子濃度：7.61*1017/cm3。
圖1為本發(fā)明實施例1～4制備得到的GeBi合金薄膜的近紅外光響應(yīng)度隨波長變化的曲線圖。由圖1可知，在780-1100nm的波長范圍內(nèi)，薄膜的最大響應(yīng)度為0.85A/W(波長1050nm)；1100-2300nm的波長范圍內(nèi)有一較平穩(wěn)的高響應(yīng)度區(qū)域，且其響應(yīng)度隨著Bi含量的增加而增加，響應(yīng)度范圍為0.12-0.38A/W。表明本發(fā)明制備得到的GeBi合金薄膜可在C和L波長區(qū)域內(nèi)應(yīng)用，且截止波長超過2300nm，可廣泛應(yīng)用于紅外光電探測器中。