一种新型高迁移率超薄层状Bi3O制造技术

本发明专利技术公开了一种新型高迁移率超薄层状Bi3O

【技术实现步骤摘要】
一种新型高迁移率超薄层状Bi3O
2.5
Se2半导体薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于二维半导体材料领域，具体涉及一种新型高迁移率硒氧化铋半导体纳米薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着晶体管器件特征尺寸的不断缩小，集成电路技术朝着高速度、高密度的方向发展，而集成电路的功耗随着器件尺寸的缩小呈上升趋势，这为电子元件的散热和续航带来了极大的挑战。目前，传统的硅基半导体材料在28nm制程以下由于短沟道效应显著而导致晶体管器件性能的严重下降，摩尔定律的延续正经历着严峻挑战。二维半导体材料因为拥有原子级超薄厚度的特点而可极大地抑制短沟道效应，适用于更先进的制程工艺，被认为是构筑后摩尔时代晶体管的理想沟道材料。然而，现有的二维材料体系普遍都存在着迁移率不高或者空气不稳定的缺点，无法满足实际应用的需求。近年来，以Bi2O2Se、Bi2SeO5为代表的铋基硒氧化物(Bi
x
O
y
Se
z
)凭借着超高的载流子迁移率、优异的介电性能和良好的空气稳定性能，正得到大家的广泛关注。然而，其他类型的铋基硒氧化物仍然处在理论研究和预测阶段，缺乏相关的结构解析及物相合成手段，因此，探索和开发一种新型的铋基硒氧化物具有重要的研究价值和意义。
[0003]然而，迄今为止，Bi3O
2.5
Se2材料的结构解析与超薄层薄膜的合成尚未有人报道。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种新型超薄层状Bi3O
2.5
Se2半导体薄膜及其制备方法。
[0005]本专利技术提供的新型硒氧化铋(Bi3O
2.5
Se2)是一种新的层状半导体材料，根据三维电子衍射单晶结构解析，该物相属于单斜晶系，子衍射单晶结构解析，该物相属于单斜晶系，β＝102.91
°
，是由正电荷[Bi2O
2.5
]nn+
层和负电荷[BiSe2]n n
‑
层沿着c轴方向交替堆叠而成的非中性层状晶体结构，且存在沿着b轴方向的超晶格特征。根据密度泛函理论计算，Bi3O
2.5
Se2晶体具有合适的带隙～1.16eV，和较小的电子有效质量～0.2m
e
，是一种潜在的高迁移率半导体材料,可能应用于高性能逻辑器件、肖特基二极管以及光电探测器等微电子学研究领域。
[0006]本专利技术提供的制备Bi3O
2.5
Se2半导体薄膜的方法，包括如下步骤：
[0007]以Se粉末和Bi2O3粉末为原料，进行化学气相沉积，沉积完毕后得到所述超薄层状Bi3O
2.5
Se2半导体薄膜。
[0008]上述方法中，所述Se粉末和Bi2O3粉末的质量比为0.2～1:1。具体可为0.2:1、0.5:1或1:1。
[0009]所述化学气相沉积在基底上进行。
[0010]所述基底具体为云母，化学式为KMg3(AlSi
3010
)F2。
[0011]所述化学气相沉积步骤中，载气为氩气，并在微量氢气辅助下进行。载气的流量为
200～400s.c.c.m.。
[0012]体系压强为200
‑
600Torr，具体可为200、400或600Torr。
[0013]沉积温度为450
‑
550℃，具体可为450℃、500℃或550℃。
[0014]沉积时间为5
‑
40分钟，具体可为10、20或30分钟。
[0015]所述化学气相沉积具体在管式炉中进行，更具体的，所述原料位于所述管式炉的中心位置。
[0016]所述基底位于所述管式炉中心位置的下游。具体为距所述中心位置10
‑
15厘米的下游位置。
[0017]所述方法还包括如下步骤：在所述化学气相沉积步骤之后，将体系自然降温至室温。
[0018]所述层状Bi3O
2.5
Se2半导体薄膜材料为n型半导体，薄膜厚度在3～40nm之间，电流开关比＞108，室温300K电子迁移率可达226cm2V
‑1s
‑1,低温50K电子迁移率具体可为650cm2V
‑1s
‑1。
[0019]按照上述方法制备得到的层状Bi3O
2.5
Se2半导体薄膜及该半导体薄膜在制备光电探测器或场效应晶体管中的应用，也属于本专利技术的保护范围。
[0020]本专利技术的技术效果是：
[0021]本专利技术介绍了一种新型的高迁移率层状Bi3O
2.5
Se2半导体的发现及其超薄纳米薄膜的制备方法。与传统的已知的Bi2O2Se和Bi2SeO5硒氧化铋材料不同，该Bi3O
2.5
Se2是一种从未报道过的新型半导体材料。本专利技术首次发现了一种新半导体材料(Bi3O
2.5
Se2)，并实现了该半导体薄膜的可控合成，首次完成了其晶体结构解析和能带结构解析。开发的Bi3O
2.5
Se2半导体具有超快的电子迁移率，且合成方法经济、简单易行，所得纳米级薄膜不仅厚度可控、晶体质量好。本专利技术为低维度超快半导体增添了新成员，能够为未来亚三纳米技术节点以下的高速低功耗芯片研究提供一个优异的半导体材料选择。
附图说明
[0022]图1是本专利技术生长Bi3O
2.5
Se2薄膜化学气相沉积方法的示意图；
[0023]图2是本专利技术介绍的新型层状硒氧化铋Bi3O
2.5
Se2的晶体结构示意图；
[0024]图3是本专利技术实施例1中所得Bi3O
2.5
Se2薄膜的光学显微镜照片；
[0025]图4是本专利技术实施例1中所得Bi3O
2.5
Se2薄膜的微区能量色散X射线能谱分析图(EDX
‑
mapping)；
[0026]图5是本专利技术实施例1中所得Bi3O
2.5
Se2薄膜的X射线衍射(XRD)与理论计算的谱图比较；
[0027]图6是本专利技术实施例1中所得Bi3O
2.5
Se2薄膜的选区电子衍射图和ab面高分辨成像图；
[0028]图7是本专利技术实施例1中所得Bi3O
2.5
Se2薄膜的截面球差电镜图；
[0029]图8是本专利技术实施例1中所得Bi3O
2.5
Se2薄膜加工而成的场效应晶体管测试的室温转移特性曲线；
[0030]图9是本专利技术实施例1中所得Bi3O
2.5
Se2薄膜加工而成的场效应晶体管测试的室温输出特性曲线；
[0031]图10是采用本专利技术实施例1中所得Bi3O
2.5
Se2薄膜加工而成的顶栅霍尔器件测试的变温转移特性曲线、四端迁移率及霍尔迁移率随温度的变化图；
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型高迁移率超薄层状Bi3O
2.5
Se2半导体薄膜的制备方法，其特征在于：以Se粉末和Bi2O3粉末为原料，进行化学气相沉积，沉积完毕即得；所述Se粉末与Bi2O3粉末的质量比为0.2～1:1。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述化学气相沉积在基底上进行，所述基底为云母，化学式为KMg3(AlSi
3010
)F2。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述化学气相沉积步骤中，载气为氩气和在微量氢气辅助状态下进行；体系压强为200
‑
600Torr；沉积温度为450
‑
550℃；沉积时间为5
‑
40分钟；载气的流量为200～400s.c.c.m.。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的方法，其特征在于：化学气相沉积在管式炉中进行。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：原料位于所述管式炉的中心位置，基底位于所述管式炉中心位置的下游。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法还包括如下步骤：在所述化学...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴金雄，何育彧，王兵，刘俊豪，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：