一种高指数晶面六方氮化硼薄膜的制备方法

1.本发明涉及二维材料制备技术，具体涉及一种高指数晶面六方氮化硼(h-bn)薄膜的制备方法。


背景技术：

2.层状结构h-bn层内硼(b)原子和氮(n)原子采用共价键形式结合，层间采用范德华力结合，禁带宽度大于5.0ev，是制备高效紫外光源和探测器件、新型微电子与光电子器件的优选超宽禁带半导体材料。目前，国内外主要采用化学气相沉积技术在(111)晶面取向的铜、镍等金属衬底上制备h-bn薄膜，采用金属有机物化学气相沉积技术在(0001)晶面取向的蓝宝石等非金属衬底上制备h-bn薄膜。上述方法制备的h-bn薄膜均为低指数(0001)晶面取向，生长方向为[0001]晶向。低指数(0001)晶面h-bn薄膜的层内电、光、热等输运能力较强，层间电、光、热等输运能力则较差(约为层内的1/100至1/10)。为提高h-bn薄膜沿生长方向的电、光、热等输运能力，满足大功率半导体光电器件的材料需求，则需制备出生长方向偏离[0001]晶向的高指数晶面h-bn单晶薄膜。


技术实现要素：

[0003]
为了克服以上现有技术的不足，本发明提出了一种高指数晶面六方氮化硼薄膜的制备方法。
[0004]
本发明的高指数晶面六方氮化硼薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0005]
1)提供高指数晶面衬底，高指数晶面衬底为非(0001)和(000-1)晶面取向的耐高温的六方结构的蓝宝石(al2o3)或者碳化硅(sic)，对高指数晶面衬底的上表面进行抛光形成抛光面，将aln沉积在高指数晶面衬底的抛光面上，形成具有高指数晶面的单晶aln模板层，高指数晶面衬底和单晶aln模板层构成高指数晶面定制aln模板，高指数晶面定制aln模板具有非(0001)和(000-1)晶面取向；
[0006]
2)采用等离子体氧(o)源或者臭氧发生器处理高指数晶面定制aln模板的上表面，即单晶aln模板层，控制氧气流量和处理时间在其表层形成氧富集的al
x
oy薄层，其中，x为al
x
oy薄层中al的化学计量，y为al
x
oy薄层中o的化学计量，通过控制氧气流量和处理时间，使得al
x
oy薄层中al与o的化学计量比x/y小于2/3；
[0007]
3)在al
x
oy薄层的上表面沉积bmnn薄膜，得到bmnn薄膜、al
x
oy薄层和高指数晶面定制aln模板的复合结构，其中，m为bmnn薄膜中硼(b)的化学计量，n为bmnn薄膜中氮(n)的化学计量，调节沉积温度和硼与氮的化学计量比，使得bmnn薄膜中硼与氮的化学计量比m/n小于0.7；
[0008]
4)提供低指数晶面衬底，低指数晶面衬底为具有(0001)或(000-1)晶面取向的耐高温的六方结构的蓝宝石或者碳化硅，对低指数晶面衬底的上表面进行抛光形成抛光面，在低指数晶面衬底的抛光面上沉积aln薄膜，低指数晶面衬底和aln薄膜构成低指数晶面aln模板，低指数晶面aln模板具有(0001)或(000-1)晶面取向；
[0009]
5)将低指数晶面aln模板的aln薄膜一侧与复合结构的bmnn薄膜一侧贴合，在低指数晶面aln模板的低指数晶面衬底一侧和复合结构的高指数晶面衬底一侧分别放置重力板，利用重力板物理压合低指数晶面aln模板与复合结构，在高温氮气氛围下重构，将bmnn薄膜中的多余氮原子从aln薄膜与bmnn薄膜的界面排出，形成低空位密度的单晶h-bkn
l
薄膜，同时保持低指数晶面aln模板和复合结构的完整性，形成低指数晶面aln模板/h-bkn
l
薄膜/al
x
oy薄层/高指数晶面衬底的整体结构；单晶h-bkn
l
薄膜具有六方晶格结构，具有与高指数晶面衬底相同的晶面指数，k为h-bkn
l
薄膜中b的化学计量，l为h-bkn
l
薄膜中n的化学计量，控制退火时间和退火温度使得h-bkn
l
薄膜中b与n的化学计量比满足：0.9＜k/l＜1.1；
[0010]
6)破坏低指数晶面aln模板/h-bkn
l
薄膜/al
x
oy薄层/高指数晶面定制aln模板的整体结构中氧富集的al
x
oy薄层，分离得到具有h-bkn
l
薄膜的低指数晶面aln模板。
[0011]
其中，在步骤1)中，高指数晶面为非(0001)和(000-1)晶面以外的晶面，低指数晶面为(0001)或者(000-1)晶面，抛光面的表面粗糙度小于1nm。单晶aln模板层的厚度为50～500nm。
[0012]
在步骤2)中，通过磁控溅射、物理气相沉积或分子束外延配置的等离子体o源轰击高指数晶面定制aln模板的单晶aln模板层，al
x
oy薄层的厚度为1～5nm。臭氧发生器活化氧气分子形成臭氧分子，臭氧分子与单晶aln模板层的表面发生化学反应，形成致密的al
x
oy薄层，al
x
oy薄层的厚度为1～5nm。以上两种途径中，氧气流量和处理时间均与al
x
oy薄层中al与o的化学计量比y/x正相关。
[0013]
在步骤3)中，沉积方法采用磁控溅射、物理气相沉积或分子束外延；bmnn薄膜具有多晶结构，厚度为20～300nm，硼(b)空位密度超过1.0
×
10
19
cm-3
。沉积过程中，温度升高，抑制n原子的并入，导致bn薄膜中b/n比值升高；沉积的温度和沉积时提供的b源与氮源的化学计量比，与bmnn薄膜中b与n的化学计量比m/n正相关。
[0014]
在步骤4)中，低指数晶面衬底的厚度为100～500微米。
[0015]
在步骤5)中，重力板的材料选择为刚玉、碳化硅、金属钨和钼中的一种；高温的范围为1200～1400℃；形成单晶h-bkn
l
薄膜的硼(b)空位密度低于5.0
×
10
16
cm-3
。
[0016]
在步骤6)中，利用酸溶液或氢气氛围退火方法刻蚀氧富集的al
x
oy薄层。
[0017]
本发明的优点：
[0018]
本发明在高指数晶面衬底上形成单晶aln模板层构成高指数晶面衬底，在单晶aln模板层上形成氧富集的al
x
oy薄层；在al
x
oy薄层上形成bmnn薄膜，得到复合结构；将具有aln薄膜的低指数晶面衬底与复合结构物理压合，高温重构形成h-bkn
l
薄膜；破坏氧富集的al
x
oy薄层，得到具有h-bkn
l
薄膜的低指数晶面aln模板；h-bkn
l
薄膜具有与高指数晶面衬底相同的晶面取向，能够制备具有指定晶面取向的h-bn，打破现有制备技术瓶颈；高指数晶面衬底能够重复利用；采用沉积和高温重构的方式制备h-bn薄膜能够降低工艺难度，避免采用昂贵的高温设备，提高产率并降低成本。
附图说明
[0019]
图1为根据本发明的高指数晶面六方氮化硼薄膜的制备方法的一个实施例得到al
x
oy薄层的剖面图；
[0020]
图2为根据本发明的高指数晶面六方氮化硼薄膜的制备方法的一个实施例得到bmnn
薄膜的剖面图；
[0021]
图3为根据本发明的高指数晶面六方氮化硼薄膜的制备方法的一个实施例得到单晶h-bkn
l
薄膜的剖面图；
[0022]
图4为根据本发明的高指数晶面六方氮化硼薄膜的制备方法的一个实施例分离得到具有h-bkn
l
薄膜的低指数晶面aln模板的剖面图。
具体实施方式
[0023]
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
[0024]
如图1所示，本实施例的高指数晶面六方氮化硼薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0025]
1)提供耐高温的六方结构的高指数晶面衬底，高指数晶面衬底为(11-22)晶面取向的蓝宝石(al2o3)，对高指数晶面衬底的上表面进行抛光形成抛光面，将300nm厚的aln沉积在高指数晶面衬底的抛光面上，形成具有高指数晶面的单晶aln模板层，高指数晶面衬底和单晶aln模板层构成高指数晶面定制aln模板1，高指数晶面定制aln模板具有非(0001)和(000-1)晶面取向；
[0026]
2)采用等离子体氧(o)源轰击高指数晶面定制aln模板的上表面，即单晶aln模板层，控制氧气流量和处理时间在其表层形成氧富集的3nm厚的al
x
oy薄层2，其中，x为al
x
oy薄层中al的化学计量，y为al
x
oy薄层中o的化学计量，x/y＝0.5，如图1所示；
[0027]
3)通过磁控溅射技术在al
x
oy薄层的上表面沉积100nm厚的bmnn薄膜3，得到bmnn薄膜、al
x
oy薄层和高指数晶面定制aln模板的复合结构，其中，m为bmnn薄膜中硼(b)的化学计量，n为bmnn薄膜中氮(n)的化学计量，调节沉积温度和b/n化学计量比，m/n＝0.6，b空位密度大于5.0
×
10
19
cm-3
，如图2所示；
[0028]
4)提供低指数晶面衬底5，低指数晶面衬底为具有(0001)晶面取向的sic衬底，对低指数晶面衬底的上表面进行抛光形成抛光面，在低指数晶面衬底的抛光面上沉积aln薄膜4，低指数晶面衬底和aln薄膜构成低指数晶面aln模板，低指数晶面aln模板具有(0001)晶面取向；
[0029]
5)将低指数晶面aln模板的aln薄膜一侧与复合结构的bmnn薄膜一侧贴合，在低指数晶面aln模板的低指数晶面衬底一侧和复合结构的高指数晶面衬底一侧分别放置重力板，重力板采用厚度为300微米的刚玉板，利用重力板物理压合低指数晶面aln模板与复合结构，在1350℃、氮气氛围条件下处理30分钟，将bmnn薄膜中的多余氮原子从aln薄膜与bmnn薄膜的界面排出，形成低空位密度的单晶h-bkn
l
薄膜6，同时保持低指数晶面aln模板和复合结构的完整性，形成低指数晶面aln模板/h-bkn
l
薄膜/al
x
oy薄层/高指数晶面衬底的整体结构；单晶h-bkn
l
薄膜具有六方晶格结构，具有与高指数晶面衬底相同的晶面指数，k为h-bkn
l
薄膜中b的化学计量，l为h-bkn
l
薄膜中n的化学计量，控制退火时间和退火温度使得h-bkn
l
薄膜中b与n的化学计量比满足k/l＝0.95，厚度降低为80nm，如图3所示；
[0030]
6)利用酸溶液破坏低指数晶面aln模板/h-bkn
l
薄膜/al
x
oy薄层/高指数晶面定制aln模板的整体结构中氧富集的al
x
oy薄层，分离得到具有h-bkn
l
薄膜的低指数晶面aln模板，以及可重复利用的高指数晶面衬底1，如图4所示。
[0031]
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修
改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。