畴外延生长γ-CuI薄膜的方法及γ-CuI薄膜

本发明属于薄膜制备，公开了一种畴外延生长γ-cui薄膜的方法及γ-cui薄膜。

背景技术：

1、碘化亚铜（cui）的透明导电性早在上个世纪初就被报道，虽然当时已发现该材料具有正的霍尔效应，但其p型导电性直到“空穴”概念提出后才被确认。cui在室温下（<370℃）为闪锌矿结构（γ-cui），具有较好的热稳定性，对光和空气也非常稳定。γ-cui的带隙宽度为3.1 ev，薄膜电导率最高为283 s/cm，迁移率可达8-20 cm2/(v·s)。第一性原理计算与光电效应测试结果表明，γ-cui的价带顶主要是由i 5p和cu 3d能级构成，i 5p能级较o 2p和s 3p更加接近于cu 3d，其较高的载流子迁移率是可以预见的。

2、γ-cui单晶体材载流子迁移率高达44 cm2/(v·s)，而γ-cui薄膜最高载流子迁移率还不到单晶体材的一半，可见γ-cui薄膜电导率仍有很大的提升空间。半导体载流子迁移率除与材料本身有关之外，还与薄膜制备过程中形成的缺陷（晶界、晶格缺陷、杂质、针孔、沟壑等）密切相关。

3、薄膜外延生长技术是基于单晶衬底并结合衬底与薄膜两者优点的一种半导体工艺方法，是实现高质量薄膜制备最为有效的方法。采用外延生长技术制备的单晶薄膜可以有效减少因晶界、晶格缺陷和杂质造成对载流子的散射，是提高半导体中载流子迁移率的基本途径。目前，可满足透明导电薄膜及光电器件应用的单晶衬底有al2o3、mgo、zno、sio2等。现有透明单晶衬底与γ-cui的晶格失配度均在10%以上，不能满足传统晶格匹配外延（lattice matching epitaxy, lme）对失配度小于7-8%的要求，阻碍了γ-cui薄膜在光电子器件领域的应用与推广。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种畴外延（domain epitaxy）生长γ-cui薄膜的方法及γ-cui薄膜，以解决传统晶格匹配外延方法不能制备γ-cui外延薄膜的技术问题。

2、本发明的第一方面提供了一种畴外延生长γ-cui薄膜的方法，包括：

3、根据畴外延理论中的旋转畴匹配模型，结合γ-cui<111>晶向的旋转对称性，确定单晶衬底；

4、利用物理气相传输法，以γ-cui粉末作蒸发材料，在所述单晶衬底上生长γ-cui薄膜。

5、优选地，所述单晶衬底为旋转对称性为2或6的透明单晶衬底。

6、优选地，所述γ-cui薄膜包括两种旋转畴，两种旋转畴之间的旋转角为60°。

7、优选地，利用物理气相传输法，以γ-cui粉末作蒸发材料，在所述单晶衬底上生长γ-cui薄膜，具体包括：

8、在双温区管式炉的第一温区设置所述γ-cui粉末，第二温区设置所述单晶衬底；

9、将所述双温区管式炉抽真空，并向所述双温区管式炉内通入由所述第一温区向所述第二温区输送的载气；

10、设定所述第一温区的温度大于或等于所述第二温区的温度，待温度升至设定温度后，所述单晶衬底上开始沉积生长γ-cui薄膜。

11、优选地，在双温区管式炉的第一温区设置所述γ-cui粉末，第二温区设置所述单晶衬底，具体包括：

12、将盛放所述γ-cui粉末的第一石英舟置于所述第一温区；

13、将盛放所述单晶衬底的第二石英舟置于所述第二温区；

14、所述第一石英舟与所述第二石英舟之间的水平距离为5-50 cm。

15、优选地，将所述双温区管式炉抽真空，具体包括：

16、使用真空机组对双温区管式炉抽真空，将背底真空抽至5×10-5-5×10-4 pa。

17、优选地，所述载气的流量为100-450 sccm，压强为20-500 pa。

18、优选地，所述第一温区的温度为300-600℃；

19、所述第二温区的温度为100-300℃。

20、优选地，沉积生长γ-cui薄膜的时间为5-30 min。

21、本发明的第二方面公开了一种γ-cui薄膜，所述γ-cui薄膜是利用上述畴外延生长γ-cui薄膜的方法制备得到的。

22、本发明的畴外延生长γ-cui薄膜的方法及γ-cui薄膜，相较于现有技术，具有如下有益效果：

23、本发明根据畴外延理论选取单晶衬底，结合γ-cui晶体的旋转对称性，筛选适合畴外延生长的衬底材料，保证γ-cui畴外延薄膜可以在衬底上连续生长，且两种旋转畴之间只存在<111>60°孪晶界，减少晶界和晶格缺陷对载流子的散射作用，提高载流子迁移率。本发明所用的物理气相传输法可在双温区管式炉中实现，双温区管式炉价格低廉、操作简单，适合工业化生产。本发明制备的γ-cui畴外延薄膜沿<111>晶向生长，薄膜与衬底之间的匹配关系为γ-cui<111>∥al2o3<001>、γ-cui<112>∥al2o3<110>，两种旋转畴之间的旋转角为60°，薄膜中的界面只存在孪晶界。由于旋转畴在厚度方向上为单晶，对于以旋转畴外延生长的γ-cui基p-n结，其整流特性会得到显著改善。

技术特征：

1.一种畴外延生长γ-cui薄膜的方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的畴外延生长γ-cui薄膜的方法，其特征在于，所述γ-cui薄膜包括两种旋转畴，两种旋转畴之间的旋转角为60°。

3.根据权利要求1或2所述的畴外延生长γ-cui薄膜的方法，其特征在于，利用物理气相传输法，以γ-cui粉末作蒸发材料，在所述单晶衬底上生长γ-cui薄膜，具体包括：

4.根据权利要求3所述的畴外延生长γ-cui薄膜的方法，其特征在于，在双温区管式炉的第一温区设置所述γ-cui粉末，第二温区设置所述单晶衬底，具体包括：

5.根据权利要求3所述的畴外延生长γ-cui薄膜的方法，其特征在于，将所述双温区管式炉抽真空，具体包括：

6.根据权利要求3所述的畴外延生长γ-cui薄膜的方法，其特征在于，所述载气的流量为100-450 sccm，压强为20-500 pa。

7.根据权利要求3所述的畴外延生长γ-cui薄膜的方法，其特征在于，所述第一温区的温度为300-600℃；

8.根据权利要求3所述的畴外延生长γ-cui薄膜的方法，其特征在于，沉积生长γ-cui薄膜的时间为5-30 min。

9.一种γ-cui薄膜，其特征在于，所述γ-cui薄膜是利用权利要求1-8任一项所述的畴外延生长γ-cui薄膜的方法制备得到的。

技术总结
本发明公开了一种畴外延生长γ‑CuI薄膜的方法及γ‑CuI薄膜，方法包括根据畴外延理论中的旋转畴匹配模型，结合γ‑CuI<111>晶向的旋转对称性，确定单晶衬底；利用物理气相传输法，以γ‑CuI粉末作蒸发材料，在单晶衬底上生长γ‑CuI薄膜。本发明可保证γ‑CuI薄膜在根据旋转畴匹配模型和γ‑CuI<111>晶向旋转对称性确定的单晶衬底上连续生长，且可减少晶界和晶格缺陷对载流子的散射作用，提高载流子迁移率。由于旋转畴在厚度方向上为单晶，对于以旋转畴外延生长的γ‑CuI基p‑n结，其整流特性会得到显著改善。本发明所用物理气相传输法可在双温区管式炉中实现，设备价格低廉、操作简单，适合工业化生产。

技术研发人员：赵学平,吴崇,张海,白朴存,侯小虎,崔晓明,刘飞
受保护的技术使用者：内蒙古工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7