基于锑碲化合物的低损耗异相同质结半导体材料及其制备和应用制造技术

本发明专利技术公开了基于锑碲化合物的低损耗异相同质结半导体材料及其制备和应用，通过采用高能粒子束辐照稳定态六角相Sb2Te3晶体样品，使其体相内部转变为立方相，同时保持样品表面至内部10nm的区域为六角相结构不变，由稳定态六角相Sb2Te3体相内部结构转变为立方相，体相内部的安德森绝缘性质使得电荷发生安德森局域化，将其转变为绝缘态。本发明专利技术利用高能粒子束辐照拓扑绝缘体六角相Sb2Te3晶体体相内部转变为立方相，在体相中形成电荷安德森局域化，将体相转变为绝缘态，并保持表面至内部10nm范围内的六角相拓扑绝缘性质，能够抑制体相内部的电输运性能，驱使电流仅经过表面，从而降低了输运损耗，实现超低功耗输运。实现超低功耗输运。实现超低功耗输运。

【技术实现步骤摘要】
基于锑碲化合物的低损耗异相同质结半导体材料及其制备和应用


[0001]本专利技术涉及半导体材料的制备
，特别涉及基于锑碲化合物的低损耗异相同质结半导体材料及其制备和应用。

技术介绍

[0002]拓扑绝缘体是一种特殊的绝缘体，其体相的电子能带结构与传统绝缘体类似，表现为绝缘性。而表面态受结构反演对称保护与电子自旋轨道耦合的影响，不易受到体系中缺陷、非磁性杂质破坏，表现为金属性。当电子在表面态运输时自旋和动量锁定，可以实现超低损耗，因此拓扑绝缘体在低损耗电磁输运系统、储存系统以及容错量子计算系统等领域具有广阔的应用前景。
[0003]由于拓扑绝缘体的体相导电能力很难被完全抑制，超低损耗表面电输运仍面临挑战。例如，稳定态六角相Sb2Te3晶体是一种典型的强拓扑绝缘体材料，其体相应为绝缘态而表面呈现金属态，并且该表面态受到对称性的保护，可以避免非磁性杂质和无序的影响。但由于六角相Sb2Te3的体相内部存在自发掺杂行为产生大量空穴载流子(10
19
–
10
20
cm
‑3)，使得体相内部呈金属性，影响了样品表面的低损耗电输运行为。因此，要利用稳定态六角相Sb2Te3晶体的拓扑绝缘性实现低损耗电输运，就需要保证其体相内部为绝缘性。
[0004]前期研究表明亚稳态立方相Sb2Te3晶体由于其结构包含大量空位，约占整个晶格的1/6。这些大量存在且随机分布的空位导致立方相Sb2Te3晶体具有安德森绝缘体性质，即体系中的电子局域在空位附近，极大降低载流子迁移率，呈现绝缘特性。为实现Sb2Te3拓扑绝缘体的超低损耗电输运，迫切需要开发一种方法将六角相Sb2Te3晶体的体相内部转变为立方相，并同时保持其表面的六角相拓扑绝缘性质。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供基于锑碲化合物的低损耗异相同质结半导体材料及其制备和应用，利用高能粒子束辐照拓扑绝缘体六角相Sb2Te3晶体，使其体相内部转变为立方相，在体相中形成电荷安德森局域化，将体相转变为绝缘态，并保持表面至内部10nm范围内的六角相拓扑绝缘性质，以抑制体相内部的电输运性能，驱使电流仅经过表面，从而降低输运损耗，实现超低功耗输运。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种基于锑碲化合物低损耗异相同质结半导体材料，为Sb2Te3晶体，其特征在于，所述晶体的表面至内部10nm的区域的晶体结构为六角相结构，内部10nm以内的区域为体相内部，所述体相内部的晶体结构为立方相结构。
[0008]所述六角相结构和立方相结构直接相连并构成异相同质结构。
[0009]通过采用高能粒子束辐照稳定态六角相Sb2Te3晶体样品的体相内部，使体相内部转变为立方相，同时保持样品表面至内部10nm的区域为六角相结构不变，体相内部的安德
森绝缘性质使得电荷发生安德森局域化，将体相内部转变为绝缘态。
[0010]所述表面至内部10nm区域的六角相结构呈现拓扑绝缘体性质，体相内部的立方相结构呈现安德森绝缘体性质，两种相结构直接相连并构成异相同质结构。
[0011]所述高能粒子束包含但不限于高能电子束、脉冲激光束、氩离子束。
[0012]所述高能电子束的加速电压为500
‑
1000KeV，辐照强度不小于1
×
10
24
e m
‑2s
‑1。
[0013]所述脉冲激光束的激光波长范围为532
‑
785nm，功率不低于5mW，脉宽不超过10s。
[0014]所述氩离子束的加速电压为不低于30KeV，辐照强度不低于1
×
10
10
ions cm
‑2。
[0015]所述锑碲化合物低损耗异相同质结半导体材料，能够用于未来信息存储和量子计算的自旋电子器件、倍频器、数字存储、光电子器件，以及高速无损耗电信号传输与芯片互联结构。
[0016]所述应用制备得到的基于锑碲化合物低损耗异相同质结半导体材料表面态具有极高的载流子迁移率，载流子在表面态的传输过程中接近零损耗，基于此材料加工得到的电子器件可用于替代传统硅基器件，可在相同特征尺寸下提升速率、节省能耗并提升器件的光电探测范围。同时，此材料具备拓扑超导特性，可在芯片互联结构中替代金属导体，实现超低损耗。
[0017]本专利技术的有益效果：
[0018]本专利技术利用高能粒子束辐照拓扑绝缘体六角相Sb2Te3晶体体相内部转变为立方相，在体相中形成电荷安德森局域化，将体相转变为绝缘态，并保持表面至内部10nm范围内的六角相拓扑绝缘性质，能够抑制体相内部的电输运性能，驱使电流仅经过表面，从而降低了输运损耗，实现超低功耗输运。六角相Sb2Te3晶体在厚度不小于4nm时能够保证其拓扑绝缘性质，过厚时体相内部的金属性则会影响拓扑绝缘性。
[0019]本专利技术选择样品表面至内部10nm的范围，既保证了拓扑绝缘性，又抑制了金属性的作用，能够最大限度地利用材料的拓扑绝缘性质。此外，辐照形成的立方相通常为多晶型，晶界的存在进一步导致电子传输散射提升体相绝缘性。因此电输运行为仅发生于样品体相表面，电流无法流经体相内部，有利于实现超低损耗的电输运。
[0020]本专利技术提出的异相同质结半导体材料的制备方法直接利用材料内部的结构无序诱导的载流子局域化，因此无需额外的栅极电压来中和自发掺杂带来的高浓度载流子，可有效降低器件加工工艺难度，有利于与传统半导体加工工艺兼容。
[0021]本专利技术制备的Sb2Te3异相同质结与异质结相比，Sb2Te3两个晶相形成的界面会相对平整，界面附近不存在明显的结构间隙以及晶格错配，有利于防止界面重构、界面脱落或应力等现象对器件输运特性、稳定性及使用寿命等的影响。
附图说明
[0022]图1为六角相Sb2Te3晶体样品的示意图，右图为对应的六角相原子结构示意图。
[0023]图2为采用高能粒子束辐照六角相Sb2Te3晶体样品实现体相内部转变为立方相的示意图，右图为对应的立方相原子结构示意图。
[0024]图3为低损耗异相同质结半导体样品与样品电输运行为示意图。
[0025]图4为采用高能粒子束辐照前六角相Sb2Te3晶体样品的高分辨像。
[0026]图5为采用高能粒子束辐照后体相内部形成的立方相Sb2Te3晶体的高分辨像。
具体实施方式
[0027]下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。
[0028]图1为六角相Sb2Te3晶体样品及其原子结构示意图。Sb2Te3的六角相结构由空位层分隔为层状结构，层块内部Sb与Te原子交替堆垛构成了
‑
Te
‑
Sb
‑
Te
‑
Sb
‑
Te
‑
的5层结构。六角相Sb2Te3晶体由于较强的电子自旋轨道耦合，表现本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于锑碲化合物低损耗异相同质结半导体材料，为Sb2Te3晶体，其特征在于，所述晶体的表面至内部10nm的区域的晶体结构为六角相结构，内部10nm以内的区域为体相内部，所述体相内部的晶体结构为立方相结构。2.根据一种基于锑碲化合物低损耗异相同质结半导体材料，其特征在于，所述六角相结构和立方相结构直接相连并构成异相同质结构。3.一种基于锑碲化合物低损耗异相同质结半导体材料的制备方法，其特征在于，通过采用高能粒子束辐照稳定态六角相Sb2Te3晶体样品的体相内部，使体相内部转变为立方相，同时保持样品表面至内部10nm的区域为六角相结构不变，体相内部的安德森绝缘性质使得电荷发生安德森局域化，将体相内部转变为绝缘态。4.根据权利要求3所述的一种基于锑碲化合物低损耗异相同质结半导体材料的制备方法，其特征在于，所述表面至内部10nm区域的六角相结构呈现拓扑绝缘体性质，体相内部的立方相结构呈现安德森绝缘体性质，两种相结构直接相连并构成异相同质结构。5.根据权利要求3所述的一种基于锑碲化合物低损耗异相同质结半导体材料的制备方法，其特征在于，所述高能粒子束包含但不限于高能电子束、脉冲激光束、氩离子束。6.根据权利要求5所述的一种基于锑碲化合物低损耗异相同质结半导体材料的制备方法，其特征在于，所述高能电子束的加速电压为500
‑
1000KeV，辐照强度不小于1
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【专利技术属性】
技术研发人员：张伟，王晓哲，张航铭，王旭东，王疆靖，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：