一种晶圆级、高迁移率碲薄膜及其制备方法和应用

本发明属于二维薄膜材料领域，具体涉及一种晶圆级、高迁移率碲薄膜及其制备方法和应用。

背景技术：

1、二维材料以其优异的物理、化学性质得到了广泛关注和深入研究，其体系包括石墨烯、过渡金属的硫族化合物、外尔半金属、黑磷、氮化硼等，在集成电路、光电探测等领域表现出独有的优势。碲是一种高迁移率的p型单质材料。由于其固有的多价性，它表现出结构多态性。碲的独特结构决定了其显著的性能，如高迁移率、窄带隙和各向异性。理论计算表明，数个原子层厚的薄膜由于对称性破缺而表现出压电/铁电特性。通过压电力显微镜对α-te的压电响应进行了实验评估，压电系数为1pm/v。因此碲薄膜，这种同时具有高迁移率和压电特性的材料，在未来的先进器件领域有着独特的优势。然而其薄膜难以生长是制约实际应用的关键瓶颈之一。

2、碲晶体的合成通常采用分子束外延法、化学气相沉积法和水热法，所得材料具有优异的单晶性能，但其往往具有较大的厚度，且难以实现大面积生长。zhao,c.,tan,c.,lien,dh.et al.evaporated tellurium thin films for p-type field-effecttransistors and circuits.nat.nanotechnol.15,53–58(2020)公开了一种低温下通过热蒸发的方式实现8nm厚的碲薄膜的制备。该生长方式需将衬底降温至-80℃，生长完成后需经过长时间的升温及晶格修复过程。该薄膜的室温迁移率仅为10cm2v-1s-1，压电特性未得到验证，距离实际应用还需要进一步优化其性能。

3、因此，需要提出一种晶圆级碲薄膜的制备方法，以实现同时具备高迁移率(>10cm2/v·s)和高压电系数(>10pm/v)碲薄膜的晶圆级制备。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种晶圆级、高迁移率碲薄膜及其制备方法和应用，以解决现有技术中晶圆级碲薄膜仅能达到微米级以及厚度较大而大面积碲薄膜质量较差的技术问题，本方案实现了晶圆级碲薄膜的生长。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、本发明第一方面公开了一种晶圆级碲、高迁移率薄膜的制备方法，通过离子束溅射沉积的方式沉积碲薄膜，随后进行退火热处理，得到碲薄膜；

4、通过控制离子束溅射沉积过程中离子源的电流和能量以及溅射时间，以控制碲薄膜的结晶质量以及厚度。

5、优选的，所述的离子束溅射沉积中：使用的靶材为碲单质靶材；制备方法具体包括te单质靶作为溅射靶材，通过离子束溅射制备碲薄膜，该生长方式不受所用衬底限制。

6、优选的，所述的离子束溅射沉积中：以的速率溅射碲薄膜，通过控制生长时间获得不同厚度的薄膜。

7、优选的，所述的薄膜的厚度为5-30nm。

8、优选的，所述的退火热处理的退火温度为100～300℃，退火时间为5min。

9、进一步优选的，所述的退火热处理的退火温度为250℃，退火时间为5min。

10、优选的，所述的退火热处理中，退火的气氛为常压惰性环境。

11、优选的，所述的离子束溅射沉积以及所述的退火热处理均在ar气的惰性气体常压环境中进行。

12、优选的，所述的碲薄膜沉积于衬底表面。

13、优选的，所述的衬底包括表面覆有二氧化硅的硅晶圆、云母片和蓝宝石。

14、本发明第二方面公开了一种晶圆级、高迁移率碲薄膜，采用如上任一所述的制备方法得到。

15、本发明第三方面公开了一种如上所述的晶圆级、高迁移率碲薄膜在半导体、压电材料、铁电材料压电器件和铁电器件领域中的应用。

16、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

17、本发明提供了一种具有高迁移率和高压电系数的晶圆级碲薄膜的生长和热处理方法，通过离子束溅射生长了晶圆级碲薄膜，再通过在惰性气体中进行热处理，提升碲薄膜的结晶性，从而提升迁移率和压电系数，具体优点如下：

18、1)本发明通过对离子能量和离子束流的控制，来控制生长薄膜的速率和薄膜质量，实现晶圆级均一碲薄膜的生长。

19、2)本发明通过在惰性气体气氛中对溅射后的薄膜进行热处理，提升了薄膜质量，获得了更高的迁移率和更高的压电系数。

技术特征：

1.一种晶圆级、高迁移率碲薄膜的制备方法，其特征在于，通过离子束溅射沉积的方式沉积碲薄膜，随后进行退火热处理，得到碲薄膜；

2.根据权利要求1所述的一种晶圆级、高迁移率碲薄膜的制备方法，其特征在于，所述的制备方法具体包括te单质靶作为溅射靶材，通过离子束溅射制备碲薄膜。

3.根据权利要求1所述的一种晶圆级、高迁移率碲薄膜的制备方法，其特征在于，所述的离子束溅射沉积中以的速率，通过控制生长时间获得不同厚度的薄膜。

4.根据权利要求3所述的一种晶圆级、高迁移率碲薄膜的制备方法，其特征在于，所述的薄膜的厚度为5-30nm。

5.根据权利要求1所述的一种晶圆级、高迁移率碲薄膜的制备方法，其特征在于，所述的退火热处理的退火温度为100～300℃。

6.根据权利要求1所述的一种晶圆级、高迁移率碲薄膜的制备方法，其特征在于，所述的退火热处理中，退火的气氛为常压惰性环境。

7.根据权利要求1所述的一种晶圆级、高迁移率碲薄膜的制备方法，其特征在于，所述的碲薄膜沉积于衬底表面。

8.根据权利要求7所述的一种晶圆级、高迁移率碲薄膜的制备方法，其特征在于，所述的衬底包括表面覆有二氧化硅的硅晶圆、云母片和蓝宝石。

9.一种晶圆级、高迁移率碲薄膜，其特征在于，采用如权利要求1-8任一所述的制备方法得到。

10.如权利要求9所述的晶圆级、高迁移率碲薄膜在半导体、压电材料、铁电材料压电器件和铁电器件领域中的应用。

技术总结
本发明属于二维薄膜材料领域，具体涉及一种晶圆级碲薄膜及其制备方法和应用，通过离子束溅射沉积的方式沉积碲薄膜，随后进行退火热处理，得到晶圆级碲薄膜；通过控制离子束溅射沉积过程中离子源的电流和能量以及溅射时间，以控制碲薄膜的结晶质量以及厚度；通过将薄膜放置于常压惰性气体氛围中进行退火处理，薄膜的迁移率和压电性得到提升。与现有技术相比，本发明解决现有技术中晶圆级碲薄膜仅能达到微米级以及厚度较大而大面积碲薄膜质量较差的技术问题，本方案实现了晶圆级碲薄膜的生长。

技术研发人员：陈艳,邰晓迟,王建禄,褚君浩
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/14