一种高指数晶面六方氮化硼薄膜的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高指数晶面六方氮化硼薄膜的制备方法。本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
一种高指数晶面六方氮化硼薄膜的制备方法


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。

技术实现思路

[0003]为了克服以上现有技术的不足，本专利技术提出了一种高指数晶面六方氮化硼薄膜的制备方法。
[0004]本专利技术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
O
y
薄层，其中，x为Al
x
O
y
薄层中Al的化学计量，y为Al
x
O
y
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
O
y
薄层中Al与O的化学计量比x/y小于2/3；
[0007]3)在Al
x
O
y
薄层的上表面沉积B
m
N
n
薄膜，得到B
m
N
n
薄膜、Al
x
O
y
薄层和高指数晶面定制AlN模板的复合结构，其中，m为B
m
N
n
薄膜中硼(B)的化学计量，n为B
m
N
n
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B
m
N
n
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B
m
N
n
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B
m
N
n
薄膜中的多余氮原子从AlN薄膜与B
m
N
n
薄膜的界面排出，形成低空位密度的单晶h
‑
B
k
N
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
‑
B
k
N
l
薄膜/Al
x
O
y
薄层/高指数晶面衬底的整体结构；单晶h
‑
B
k
N
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
‑
B
k
N
l
薄膜中B的化学计量，l为h
‑
B
k
N
l
薄膜中N的化学计量，控制退火时间和退火温度使得h
‑
B
k
N
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
‑
B
k
N
l
薄膜/Al
x
O
y
薄层/高指数晶面定制AlN模板的整体结构中氧富集的Al
x
O
y
薄层，分离得到具有h
‑
B
k
N
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
O
y
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
O
y
薄层，Al
x
O
y
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
O
y
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；B
m
N
n
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，温本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高指数晶面六方氮化硼薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：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或者碳化硅，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；2)采用等离子体氧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
O
y
薄层，其中，x为Al
x
O
y
薄层中Al的化学计量，y为Al
x
O
y
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
O
y
薄层中Al与O的化学计量比x/y小于2/3；3)在Al
x
O
y
薄层的上表面沉积B
m
N
n
薄膜，得到B
m
N
n
薄膜、Al
x
O
y
薄层和高指数晶面定制AlN模板的复合结构，其中，m为B
m
N
n
薄膜中硼的化学计量，n为B
m
N
n
薄膜中氮的化学计量，调节沉积温度和硼与氮的化学计量比，使得B
m
N
n
薄膜中硼与氮的化学计量比m/n小于0.7；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；5)将低指数晶面AlN模板的AlN薄膜一侧与复合结构的B
m
N
n
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B
m
N
n
薄膜中的多余氮原子从AlN薄膜与B
m
N
n
薄膜的界面排出，形成低空位密度的单晶h
‑
B
k
N
l
薄膜，同时保持低...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新强，刘放，王涛，陈兆营，盛博文，沈波，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：