大尺寸单晶六方氮化硼的外延生长方法及其应用

本发明涉及外延生长，尤其涉及一种大尺寸单晶六方氮化硼的外延生长方法及其应用。

背景技术：

1、近年来，随着芯片尺寸的不断减小，短沟道效应、热效应等问题日趋明显，开发全新的二维量子材料体系以实现变革性的器件应用已成为当前科技的研究热点。由于同质外延技术尚不成熟，氮化镓（gan）主要选择蓝宝石、硅等衬底异质外延制备，界面通过共价键成键，界面失配及衬底缺陷导致外延结构的材料质量与器件性能受限。二维材料的出现引发的外延模式拓宽了传统三维体材料的外延范围，可通过二维/三维异质界面充分弛豫外延结构中的大失配应力，实现外延结构的简易机械剥离，在制备柔性可穿戴设备以及可转移电子和光子器件领域应用前景广泛。

2、二维六方氮化硼（hbn）其晶体结构与石墨非常相似，且两者的物理化学性质也较为相像。得益于原子级厚度和优异的光电性能，二维hbn可以有效地屏蔽电荷陷阱位点，从而避免载流子散射，是二维半导体器件的“理想”衬底和电介质，同时hbn具有高温稳定性，不易在高温下产生破损及缺陷。

3、尽管已经报道了在金属表面上外延生长单晶hbn，但晶圆尺度绝缘衬底上的单晶薄膜并没有直接生长。同时，在金属衬底上合成的二维hbn，需要进一步转移到目标衬底上使用，转移步骤繁琐，且在转移过程中会造成二维材料的破损，引入褶皱和pmma胶的残留，严重影响外延层的晶体质量。

4、总结而言，如何有效缩减复杂的二维hbn转移工艺，实现一种在蓝宝石衬底上直接外延大尺寸二维单晶hbn的方法，再利用二维单晶hbn实现远程外延氮化物薄膜是一个亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种大尺寸单晶六方氮化硼的外延生长方法及其应用。

2、为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

3、第一方面，本发明提供一种大尺寸单晶六方氮化硼的外延生长方法，其包括：

4、提供单晶a面的蓝宝石衬底；

5、对所述蓝宝石衬底进行小角度切割，以形成具有台阶状结构的切割面，所述切割面的法向与所述蓝宝石衬底的c轴形成小角度的切割夹角；

6、对所述小角度切割后的蓝宝石衬底进行高温退火处理；

7、高温退火处理后，在所述切割面上外延生长单晶六方氮化硼。

8、第二方面，本发明还提供一种上述外延生长方法制得的复合衬底，其包括蓝宝石衬底以及单晶六方氮化硼层；

9、所述蓝宝石衬底为a面衬底，且所述蓝宝石衬底与单晶六方氮化硼层的界面处形成具有台阶状结构的切割面，所述切割面的法向与所述蓝宝石衬底的c轴形成小角度的切割夹角；

10、所述单晶六方氮化硼层覆设于所述切割面上。

11、第三方面，本发明还提供一种高质量氮化物层的外延生长方法，其包括：

12、提供上述复合衬底；

13、在所述复合衬底的单晶六方氮化硼层表面外延生长氮化物成核层；

14、在所述氮化物成核层表面继续外延生长氮化物，形成氮化物外延层，所述氮化物包括氮化镓和/或氮化铝。

15、第四方面，本发明还提供一种高质量氮化物外延结构，其包括依次层叠设置的蓝宝石衬底、单晶六方氮化硼层以及氮化物外延层；

16、所述蓝宝石衬底为a面衬底，且所述蓝宝石衬底与单晶六方氮化硼层的界面处形成具有台阶状结构的切割面，所述切割面的法向与所述蓝宝石衬底的c轴形成小角度的切割夹角；

17、所述单晶六方氮化硼层覆设于所述切割面上；

18、所述氮化物外延层的材质包括氮化镓和/或氮化铝，覆设于所述单晶六方氮化硼层的表面。

19、以及，第五方面，本发明还提供上述高质量氮化物外延结构在制备氮化物基器件中的应用。

20、基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

21、本发明所提供的外延生长方法通过小角度切割衬底表面的设计打破a面蓝宝石的c2对称性，避免外延生长时的动力学差异，引导二维氮化物晶畴的单向对齐，从而实现了在绝缘的蓝宝石衬底表面大面积生长二维单晶六方氮化硼，避免了在金属衬底表面生长后的转移过程中会造成二维氮化物的破损，褶皱的引入以及胶的残留，最终可获得低缺陷密度、低应力的二维单晶六方氮化硼薄膜。

22、进一步地，所生长的二维单晶六方氮化硼可以作为缓冲层，实现远程外延，可以进一步生长高质量单晶氮化物外延层，如氮化镓和/或氮化铝。

23、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。

技术特征：

1.一种大尺寸单晶六方氮化硼的外延生长方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于，外延生长所述单晶六方氮化硼所用的硼源选自三乙基硼；氮源选自氨气；

3.根据权利要求1或4所述的外延生长方法，其特征在于，外延生长所述单晶六方氮化硼的温度为1200-1400℃，时间为10-25 min，ⅴ/ⅲ比为3000-5000，压力为10-30 torr。

4.由权利要求1-3中任意一项所述的外延生长方法制得的复合衬底，其特征在于，包括蓝宝石衬底以及单晶六方氮化硼层；

5.根据权利要求4所述的复合衬底，其特征在于，所述复合衬底的尺寸为4英寸；

6.一种高质量氮化物层的外延生长方法，其特征在于，包括：

7.一种高质量氮化物外延结构，其特征在于，包括依次层叠设置的蓝宝石衬底、单晶六方氮化硼层以及氮化物外延层；

8.权利要求7所述的高质量氮化物外延结构在制备氮化物基器件中的应用。

技术总结
本发明公开了一种大尺寸单晶六方氮化硼的外延生长方法及其应用。所述外延生长方法包括：提供单晶a面的蓝宝石衬底；进行小角度切割；进行高温退火处理；切割面上外延生长单晶六方氮化硼，可以再外延单晶氮化物薄膜。本发明通过小角度切割衬底表面打破a面蓝宝石的C2对称性，避免外延生长时的动力学差异，引导二维氮化物晶畴的单向对齐，从而实现了在绝缘的蓝宝石衬底表面大面积生长二维单晶六方氮化硼，避免了在金属衬底表面生长后的转移过程中会造成二维氮化物的破损，褶皱的引入以及胶的残留，最终可获得低缺陷密度、低应力的二维单晶六方氮化硼薄膜；所生长的二维单晶六方氮化硼可以作为缓冲层，进一步生长高质量单晶氮化物外延层。

技术研发人员：王亮,徐俞,王钰宁,徐科
受保护的技术使用者：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16