六方氮化硼膜的合成和转移方法技术

一种通过化学气相沉积在基底上生产六方氮化硼的方法，所述方法包括：(a)在第一温度下加热所述基底长达第一时间的步骤；(b)在第二温度下在前体的第一分压下将所述基底暴露到包含硼的前体和包含氮的前体长达第二时间的步骤，其中将单一前体用作包含硼的前体和包含氮的前体或将不同前体用作包含硼的前体和包含氮的前体；(c)在不具有前体的情况下在第三温度下加热所述基底长达第三时间的步骤；和(d)在第四温度下在前体的第二分压下将所述基底暴露到所述前体长达第四时间的步骤。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】六方氮化硼膜的合成和转移方法
和
技术介绍
本公开涉及合成高质量六方氮化硼的方法。这对于(但不限于)制造包含多种二维材料(2DM)的异质结构特别有用。近年来，由于在曼彻斯特大学的AndreGeim和KonstantinNovoselov于2004年分离石墨烯(由此他们于2010年获得诺贝尔物理学奖)后2DM的令人印象深刻的独特固有性质，所以对2DM的潜力感兴趣。在分离石墨烯后，还分离了许多其他2DM。特别令人感兴趣的是六方氮化硼(h-BN)，其晶格参数和层间间距与石墨烯类似，但与作为零间隙半导体的石墨烯不同，h-BN是绝缘体。这使得h-BN成为理想的石墨烯基底，由于基底表面的起伏以及石墨烯与基底的相互作用，石墨烯通常在典型的基底上显示出极大的性能下降。因此，对制造包含多层石墨烯和h-BN的“异质结构”设备感兴趣。迄今为止，由于难以生产可以将其从生长转移到器件基底的大晶片规模面积的石墨烯和h-BN，因此仅制造了小面积的石墨烯-h-BN异质结构器件。最初，石墨烯和h-BN都使用物理剥离技术制造，而物理剥离技术虽然生产高质量的材料但其规模通常限制在几十微米。已经开发了其他大规模制造技术，主要是化学气相沉积(CVD)，这些制造技术能够在晶片规模(数十厘米)上制造石墨烯和h-BN。尽管已显示CVD能够制造晶片规模石墨烯和h-BN，但是证明在不显著降低材料固有性质的情况下，很难将石墨烯和h-BN转移到器件基底。为了解决在转移CVD生长的石墨烯方面的困难，已经进行最新的尝试，但是迄今为止，还没有论证出在保持高水平固有性质的同时生长和转移CVD生长的h-BN的实用方法。如上所述，本公开的至少某些实施方式解决了这些问题中的一个或更多个。
技术实现思路
在所附的权利要求书中提出具体的方面和实施方式。从一个角度来看，可以提供一种通过化学气相沉积在基底上生产六方氮化硼的方法，所述方法包括：(a)在第一温度下加热所述基底长达第一时间的步骤；(b)在第二温度下在前体的第一分压下将所述基底暴露到包含硼的前体和包含氮的前体长达第二时间的步骤，其中将单一前体用作包含硼的前体和包含氮的前体或将不同前体用作包含硼的前体和包含氮的前体；(c)在不具有前体的情况下在第三温度下加热所述基底长达第三时间的步骤；和(d)在第四温度下在前体的第二分压下将所述基底暴露到所述前体长达第四时间的步骤。可以认为本方法分为四个主要步骤：(a)退火步骤；(b)重结晶/种晶步骤；(c)均质化步骤；和(d)畴扩展步骤。步骤(a)有助于从基底上清除碎屑，减少基底上的表面杂质并促进基底的初始重结晶。骤(b)提供了多个h-BN晶畴的初始成核。步骤(b)还可以促进基底材料的进一步重结晶，从而导致可以在其上形成h-BN的基底中更大的均匀畴。步骤(c)起到收缩在步骤(b)期间形成的h-BN晶畴的作用，从而减少现存晶畴的数量。步骤(d)起到扩展剩余晶畴同时使进一步成核位点的形成最小化的作用。因此，在步骤(b)中的初始成核和步骤(d)中的畴扩展之间的分裂允许少量的大面积h-BN晶畴生长。在一些实施例中，第二分压低于第一分压。因此，可以提供在步骤(b)中促进成核并在步骤(d)中抑制成核，同时仍然允许畴扩展的条件。在一些实施例中，第一分压是1x10-6毫巴至1x10-2毫巴且第二分压是1x10-7毫巴至1x10-2毫巴。在其他实施例中，第一分压是5x10-6毫巴至1.5x10-5毫巴且第二分压是1x10-6毫巴至4x10-6毫巴。在优选的实施例中，第一分压是9x10-6毫巴至1.1x10-5毫巴且第二分压是2x10-6毫巴至3x10-6毫巴。在一些实施例中，第一分压可以是5x10-6毫巴、6x10-6毫巴、7x10-6毫巴、8x10-6毫巴、9x10-6毫巴、1.0x10-5毫巴、1.1x10-5毫巴、1.2x10-5毫巴、1.3x10-5毫巴、1.4x10-5毫巴和1.5x10-5毫巴中的任一个或介于这些数值之间的任何子范围。在一些实施例中，第二分压可以是1x10-6毫巴、1.5x10-6毫巴、2x10-6毫巴、2.5x10-6毫巴、3x10-6毫巴、3.5x10-6毫巴和4x10-6毫巴中的任一个或介于这些数值之间的任何子范围。因此，可以提供在步骤(b)中促进成核并在步骤(d)中抑制成核，同时仍然允许畴扩展的条件。在一些实施例中，单一前体用作包含硼的前体和包含氮的前体，并且其中该前体是硼嗪、氨硼烷和三氯硼嗪中的一种。因此，可以提供单一前体，其既充当硼前体又充当氮前体，因此简化了向生长室的前体递送，因为仅需要递送单一气体并且需要控制单一相关联的压力。在一些实施例中，包含硼的前体是硼酸三异丙酯、三苯基硼烷、三氯化硼、乙硼烷和十硼烷中的一种；包含氮的前体是氨气(ammonia)和氮气(nitrogen)中的一种。因此，可以分别控制可用硼和氮的量，从而允许进一步细化生长和重结晶条件。在一些实施例中，基底是铂或铂合金。铂是h-BN生长的良好催化剂并且在生长后对h-BN的粘附性较弱。因此，铂的使用促进生长后h-BN向器件基底的转移。术语器件基底(devicesubstrate)的使用例如是指期望在生长之后在其上沉积h-BN的任何靶基底。可以用作生长h-BN的催化剂的具有弱粘附性的催化剂的其他实例是锗、铜、银、金、铱和包括一种或多种这些物类的合金。使用弱粘附性的材料作为基底促进基底的重复使用，因为可以以无损方式(例如剥离)从基底中去除h-BN，从而可以重新使用基底。因此，可以通过重复使用来抵消使用铂的高成本。铂的使用允许在CVD生长过程期间选择参数时访问广泛的参数空间，因为铂在高温下是化学惰性的且因此可以使用高温。这种化学惰性进一步使对表面处理(例如氧化物去除)的需求最小化。此外，在步骤(b)中，铂基底可以经历重结晶，这通过最好地理解是将硼从硼前体溶解到铂基底中来增加铂晶畴的尺寸。溶解的硼起脱氧剂的作用，该脱氧剂除去存在于晶界的、抑制晶粒生长的杂质。铂晶畴尺寸的增加继而促进h-BN的大型单晶畴的生长。在基底由纯金属或合金形式的其他金属形成的其他实施例中，硼的脱氧剂作用还起到去除存在于晶界的、抑制晶粒生长的杂质的作用，因此也促进基底晶畴的尺寸增加。在一些实施例中，基底是铂箔。因此，可以容易地制备铂基底并且易于使用。在其他实施例中，可以使用沉积的铂薄膜或块铂。在一些实施例中，基底由单晶铂形成。因此，铂基底的畴尺寸增加，从而促进h-BN的大单晶畴的生长。在一些实施例中，基底最初由多晶铂形成，并且步骤(b)引起铂基底从多晶形式重结晶为单晶形式。因此，铂基底的晶畴尺寸增加，从而促进h-BN的大单晶畴的生长。在一些实施例中，第一温度是900℃至1400℃。在其他实施例中，第一温度是1170℃至1250℃。在优选的实施例中，第一温度是1180℃至1220℃。在一些实施例中，第一温度可以是1150℃、1160℃、1170℃、1180℃、1190℃、1200℃、1210℃、1220℃、1230℃、1240℃本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通过化学气相沉积在基底上生产六方氮化硼的方法，所述方法包括：/n(a)在第一温度下加热所述基底长达第一时间的步骤；/n(b)在第二温度下在前体的第一分压下将所述基底暴露到包含硼的前体和包含氮的前体长达第二时间的步骤，/n其中将单一前体用作包含硼的前体和包含氮的前体或将不同前体用作包含硼的前体和包含氮的前体；/n(c)在不具有前体的情况下在第三温度下加热所述基底长达第三时间的步骤；和/n(d)在第四温度下在前体的第二分压下将所述基底暴露到所述前体长达第四时间的步骤。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180518 GB 1808121.61.一种通过化学气相沉积在基底上生产六方氮化硼的方法，所述方法包括：
(a)在第一温度下加热所述基底长达第一时间的步骤；
(b)在第二温度下在前体的第一分压下将所述基底暴露到包含硼的前体和包含氮的前体长达第二时间的步骤，
其中将单一前体用作包含硼的前体和包含氮的前体或将不同前体用作包含硼的前体和包含氮的前体；
(c)在不具有前体的情况下在第三温度下加热所述基底长达第三时间的步骤；和
(d)在第四温度下在前体的第二分压下将所述基底暴露到所述前体长达第四时间的步骤。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二分压低于所述第一分压。


3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一分压是1x10-6毫巴至1x10-2毫巴且所述第二分压是1x10-7毫巴至1x10-2毫巴。


4.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一分压是5x10-6毫巴至1.5x10-5毫巴且所述第二分压是1x10-6毫巴至4x10-6毫巴。


5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第一分压是9x10-6毫巴至1.1x10-5毫巴且所述第二分压是2x10-6毫巴至3x10-6毫巴。


6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中单一前体用作包含硼的前体和包含氮的前体，并且其中所述前体是硼嗪、氨硼烷和三氯硼嗪中的一种。


7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述包含硼的前体是硼酸三异丙基酯、三苯基硼烷、三氯化硼、乙硼烷和十硼烷中的一种；并且所述包含氮的前体是氨气和氮气中的一种。


8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述基底是铂或铂合金。


9.根据权利要求8所述的方法，其中所述基底是铂箔。


10.根据权利要求8或9所述的方法，其中所述基底由单晶铂形成。


11.根据权利要求8或9中任一项所述的方法，其中所述基底最初由多晶铂形成并且步骤(b)引起所述铂基底从多晶重结晶为单晶形式。


12.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述基底是锗、铜、银、金和铱中的一种或所述基底是包含锗、铜、银、金，铱中的一种或多种的合金。


13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一温度是900℃至1400℃和/或所述第二温度是900℃至1400℃和/或所述第三温度是900℃至1400℃和/或所述第四温度是900℃至1400℃。


14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一温度是1170℃至1250℃和/或所述第二温度是1170℃至1250℃和/或所述第三温度是1170℃至1250℃和/或所述第四温度是1170℃至1250℃。

【专利技术属性】
技术研发人员：王睿智，斯蒂芬·霍夫曼，
申请(专利权)人：剑桥企业有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB