一种CdTe/PbTe异质结界面二维电子气结构

摘要

本发明具体涉及一种CdTe/PbTe异质结界面二维电子气结构。本发明是一种CdTe/PbTe异质结界面二维电子气结构，所述的二维电子气结构是CdTe沿其晶体的极性面（111），（100）和（211）生长在PbTe表面上或PbTe生长在CdTe晶体的极性面（111），（100）和（211）上，其界面由于电荷转移形成高浓度二维电子气。本发明的CdTe/PbTe界面二维电子气是由异质结极性界面特性产生的，它不需要人为掺杂，它不仅具有高的电子密度，而且还具有高的电子迁移率，例如77K温度下的电子迁移率是块体CdTe材料三倍多。利用高的电子密度和高迁移率特性，可以提高晶体管的功率和速度；可以降低CdTe太阳电池中CdTe与金属的接触电阻；可以增强窄带隙半导体红外发光的强度，效果十分明显。

说明书

技术领域

本发明具体涉及一种CdTe/PbTe异质结界面二维电子气结构。

背景技术

PbTe/CdTe体系作为罕见的结构失配的新型异质结构受到人们的关注。 窄带隙IV-VI族半导体材料PbTe具有NaCl晶格结构, 带隙在倒空间的 L点；而II-VI族材料CdTe具有闪锌矿晶格结构，带隙在倒空间的Γ点 ，这两种材料具有共同的阴离子Te，它们按不同的生长取向([100]、 [110]、[111])结合得到的异质结具有不同的界面特性。PbTe是制备电 子器件和光电子器件例如中红外波段激光器和探测器、太阳电池的理 想材料，并在民用、航空航天和国防等领域得到广泛的应用。人们将 [100]取向的CdTe/PbTe/CdTe量子阱退火得到了以(100)、(110)、(11 1)为界面的嵌入式菱方八面体形PbTe量子点，大大提高了PbTe的荧光 效率。相对于量子点的CdTe/PbTe (111)界面，外延生长的PbTe/CdT e(111)界面具有完全不同的结构，并且PbTe和CdTe都具有(111)极性原 子面，在外延薄膜很薄的时候，内建的极化电场可以改变薄膜的物理 特性。这种由极化电场带来的薄膜物理特性的改变在PbTe光电器件中 能起到提高量子效率的关键作用，有望研制成功低阈值电流、高工作 温度的新型中红外光电器件。另外，由于Pb、Te等重元素的存在，由 PbTe/CdTe异质结构成的低维结构中具有较大的自旋轨道耦合分裂能， 在自旋电子器件方面的应用具有较大前景。为此，论文从理论和实验 两方面开展了关于PbTe/CdTe新型异质体系及其低维结构的物理特性的 研究工作。

发现由于PbTe中Pb²⁺离子s²孤立电子对的的作用，使得PbTe在界面附近 严重扭曲变形，失去了完整的NaCl结构，同时具有了较大的金属性。 CdTe中强烈的极化电场将界面附近一部分CdTe导带下拉到费米能级以 下，Pb、Cd、Te原子的部分离子化贡献出一部分自由电子，在界面附 近形成了二维电子气(2DEG)，计算得到的浓度可达6.0×10¹³ cm^-2。我 们对该体系进行霍尔效应测试得到的体电子浓度最高为6×10¹⁹ cm^-3， 且随着CdTe厚度的增大而迅速降低。常温时，电子迁移率为300-400  cm²/Vs，在77 K下，迁移率高达6700 cm²/Vs，而且载流子浓度几乎 没有变化，能在如此高的电子浓度下保持这么高的电子迁移率在其他 材料体系中是很罕见的。

发明内容

本发明是针对PbTe/CdTe体系的研究发明，在CdTe/PbTe极性界面发现 了高电子密度的二维电子气，二维电子气在光电子器件、电子器件、 太阳电池中都有极其重要的应用。本发明的具体技术方案如下：

本发明是一种CdTe/PbTe异质结界面二维电子气结构，所述的二维电子 气结构是CdTe沿其晶体的极性面（111），（100）和（211）生长在P bTe表面上或PbTe生长在CdTe晶体的极性面（111），（100）和（211 ）上，其界面由于电荷转移形成高浓度二维电子气。

作为进一步的改进，本发明所述的二维电子气的电子浓度高于1×10¹⁸ cm^-3，而且载流子具有高的迁移率。

作为进一步的改进，本发明所述的CdTe/PbTe界面二维电子气的实现方 式可以是分子束外延（MBE）或金属有机化学气相沉积（MOCVD）或热 蒸发或电子束蒸发或近距离升华（Close Space Sublimation）或磁 控溅射。

本发明公开了一种CdTe/PbTe异质结界面二维电子气结构的应用方法， 所述的二维电子气结构所形成的二维电子气可应用于光电子器件、电 子器件和太阳电池。

作为进一步的改进，本发明所述的二维电子气可以应用于高电子迁移 率晶体管（HEMT）。

作为进一步的改进，本发明所述的太阳电池包括CdTe太阳电池，CdS太 阳电池、CuInGaSe太阳电池和CuZnSnSe太阳电池。

作为进一步的改进，本发明所述的二维电子气可以与入射的光子耦合 形成表面等离子，对窄带隙半导体发光产生作用。

本发明的有益效果如下：CdTe/PbTe界面二维电子气是由异质结极性界 面特性产生的，它不需要人为掺杂，它不仅具有高的电子密度，而且 还具有高的电子迁移率，例如77K温度下的电子迁移率是块体CdTe材料 三倍多。利用高的电子密度和高迁移率特性，可以提高晶体管的功率 和速度；可以降低CdTe太阳电池中CdTe与金属的接触电阻；可以增强 窄带隙半导体红外发光的强度。效果十分明显。

具体实施方式

本发明公开了一种CdTe/PbTe异质结界面二维电子气结构，是指CdTe沿 其晶体的极性面（111），（100）和（211）生长在PbTe或PbTe生长在 上述晶面的CdTe表面上，其界面由于电荷转移形成高浓度二维电子气 ；高浓度二维电子气得重要特征是电子浓度高于1×10¹⁸ cm^-3，而且载 流子具有高的迁移率；CdTe/PbTe界面二维电子气得实现可以是分子束 外延（MBE）或金属有机化学气相沉积（MOCVD）或热蒸发或电子束蒸 发或近距离升华（Close Space  Sublimation），或磁控溅射等；

CdTe/PbTe界面二维电子气可以应用于高电子迁移率晶体管（HEMT）， 因为高浓度载流子和高迁移率是HEMT材料的主要参数；太阳电池，包 括CdTe太阳电池，CdS太阳电池、CuInGaSe太阳电池和CuZnSnSe太阳电 池等；因为CdTe、CdS等太阳电池材料由于载流子浓度偏低，与金属接 触往往形成肖特基结，具有较高的结电阻，影响太阳电池的性能。形 成CdTe/PbTe或CdS/PbTe异质结界面高浓度二维电子气和PbTe的窄带隙 和高电子浓度特性可以使金属与太阳电池的一个电极接触为欧姆接触 。CdTe/PbTe异质结界面二维电子气可以与入射的光子耦合形成表面等 离子，对半导体发光产生作用，例如增强对入射光的吸收，或者改变 半导体的发光性质，从而在发光器件和光探测器件得到应用。

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步具体说明：

用分子束外延实现CdTe/PbTe异质结界面二维电子气的结构

(a) 在[111]晶体取向衬底上生长一层PbTe晶体薄膜，生长方法采用 PbTe升华的方法，在衬底上沉积薄膜厚度在200nm~3000nm之间PbTe薄 膜，沉积温度再80 ～500 °C；

(b) 在PbTe(111)表面用分子束外延生长CdTe(111)晶体薄膜，采用C dTe源升华方法，生长温度在50～500 °C，CdTe厚度为30nm~3000nm ；

(c) 上述制成的CdTe/PbTe(111)异质结界面具有固有二维电子气特征 ，用霍尔效应测量出载流子和载流子迁移率如图1和图2 所示。

CdTe/PbTe异质结界面二维电子气应用于金属/CdTe/CdS/透明导电氧化 物薄膜（TCO）太阳电池

 现有的CdTe太阳电池，多采用金属/CdTe/CdS/导电薄膜电池结构， 其背电极多采用金属与CdTe的接触，由于CdTe具有较大带隙宽度（30 0K 温度时1.51eV）,由于上述太阳电池结构中的CdTe的载流子浓度偏 低（小于10¹⁶ cm^-3）金属与CdTe的接触往往形成肖特基接触，从而带 来大的接触电阻，影响太阳电池的开路电压和短路电流，我们利用在 带隙半导体PbTe (室温下的带隙0.32 eV)具有较高的载流子浓度（ ≥5×10¹⁵ cm^-3）和CdTe/PbTe界面的二维电子气，保证能够得到欧姆 接触，大大降低接触电阻，从而提升CdTe太阳电池的性能，PbTe薄膜 做为底电极。

CdTe薄膜太阳电池结构中的CdS、CdTe和PbTe薄膜采用近距离升华（C lose Space Sublimation）方法获得，透明导电氧化物薄膜（TCO） 厚度100nm，CdS厚度1微米，生长温度250 °C， CdTe厚度2～3微米 生长温度250 °C， PbTe厚度500 nm，生长温度300 °C，PbTe薄 膜做为底电极。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。 显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通 技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应 认为是本发明的保护范围。