【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于半导体，尤其涉及二维半导体材料外延片，具体涉及一种基于氧化铝缓冲层的硅基单晶二维材料外延片及其制备方法。
技术介绍
1、二维半导体被认为是延续器件尺寸微缩至1nm节点最具竞争力的沟道材料，但二维半导体材料的高质量生长非常受限于衬底。目前成熟的单晶二维半导体材料的大规模制备通常采用金属或al2o3作为衬底，通过化学气相沉积的方法(cvd)进行外延。这两种衬底都能够制备出大面积的单晶，目前已报道的单晶石墨烯可以达到6寸甚至8寸，单晶h-bn(六方氮化硼)和二硫化钼可以达到2～4寸。然而，要以硅作为衬底实现单晶二维半导体材料的制备却非常困难。硅基衬底上通常有一层氧化层，这层无定形态的sio2无法为二维半导体材料的成核及定向外延提供合适的晶格，因此难以在其表面直接外延出单晶的二维材料。即硅基衬底与二维材料之间较大的晶格失配以及无定形的氧化层均导致了二维原子层难以在其表面形成晶圆级的单晶，进而导致二维材料在半导体领域的应用和发展严重受限。
2、为了将二维石墨烯和二维过渡金属硫化物应用在硅基集成领域，需要先在其他衬底上制备出二维材料，再转移至硅基衬底上，进而通过成熟的cmos工艺实现完成高集成度的器件制备。对于在金属衬底上生长的二维材料，目前较成熟的将其转移到硅基衬底的工艺为湿法转移。其通过金属刻蚀液将金属衬底进行刻蚀，再通过酸、碱溶液多次对刻蚀表面进行清洗，达到将金属完全去除的作用；再将二维材料转移至目标硅基衬底上；然后对其表面进行清洗、烘干、退火等工艺环节，最终实现将二维材料转移至硅基衬底上的目的。由于二维材料
3、《large-area integration of two-dimensional materials and theirheterostructures by wafer bonding》(https://doi.org/10.1038/s41467-021-21136-0)中公开了一种支持二维材料的键合设备，使用粘合剂将二维材料直接键合在si衬底上。对于不同的二维材料改变不同的键合参数来实现多种二维材料的硅基集成。该文献中通过对整片转移的晶圆进行了材料分析，得出的结论是，这种方法能够在保证材料不受破损的情况下实现晶圆级的硅基二维材料集成；同时还制备了整片晶圆的晶体管阵列用来验证材料性能及其均一性。通过键合的方法进行的晶圆级二维材料转移，很大程度上保持住了材料的优良性质；但是依然存在原有衬底去除过程中引入杂质、出现褶皱的问题，以及二维材料对于自动化设备的精度需求非常严格，因此开发高集成化、自动化的转移设备成本也非常高昂。
4、非绝缘衬底如蓝宝石衬底上也能够实现大面积的单晶二维材料外延生长，进而可以在二维材料上继续通过范德华外延生长iii-v族半导体，可以制备出高性能的led器件。或者，通过转移的方法把生长好的二维材料从蓝宝石衬底转移到硅基衬底上，实现一些光电器件的集成应用。然而，蓝宝石衬底的散热性能相比于硅基衬底或碳化硅衬底差很多，散热性能又直接影响了器件乃至整个芯片的性能发挥以及寿命，因此在许多功率器件或者视频器件中无法采用这种技术方案。
5、基于上述问题，有必要开发出直接在散热性能好的硅基衬底上外延生长二维半导体材料的技术。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本专利技术提供一种基于氧化铝缓冲层的硅基单晶二维材料外延片的制备方法。该方法可以实现在硅基衬底上直接外延生长二维半导体材料，避免了使用材料转移的工艺，大幅度提高了二维半导体材料的质量。
2、具体地，本专利技术采用如下技术方案来实现上述目的：
3、一种基于氧化铝缓冲层的硅基单晶二维材料外延片的制备方法，包括以下步骤：
4、s1、制备具有活性层的氧化铝衬底：通过高能离子注入技术对氧化铝表面进行活化，使氧化铝表面形成一层易于剥离的活性层；所述氧化铝的晶型为单晶，表面晶面为c面；
5、s2、键合硅基衬底和氧化铝衬底：将步骤s1中制备的具有活性层的氧化铝衬底与预先清洁的硅基衬底进行键合；
6、s3、剥离氧化铝活性层：采用热处理的方式将所述具有活性层的氧化铝衬底沿所述活性层剥离，然后经过退火、抛光，得到氧化铝和硅基键合的复合衬底；
7、s4、制备单晶二维材料：在所述复合衬底表面沉积二维材料，得到基于氧化铝缓冲层的硅基单晶二维材料外延片。
8、在优选的实施方案中，步骤s1中所述活性层到所述氧化铝衬底用于与所述硅基衬底键合的表面之间的距离为100～300nm。
9、在优选的实施方案中，步骤s2中的键合采用表面活化键合技术或聚合物晶圆键合技术。
10、在进一步优选的实施方案中，所述表面活化键合技术采用快速原子轰击对所述具有活性层的氧化铝衬底和所述硅基衬底表面进行活化，具体参数为：真空度为1×10-6pa，轰击电压为1.5kv，电流为100ma，氩气流量为10～15sccm，辐射时间为20～40s。
11、在进一步优选的实施方案中，所述聚合物晶圆键合技术采用苯并环丁烯作为粘合材料，于100℃下烘烤5分钟，然后在惰性气氛中加热至150～300℃保持20～60分钟；键合过程中的压强为300～400kpa，真空度为10-3mbar。
12、在更进一步优选的实施方案中，所述粘合材料涂覆的厚度为30～50nm。
13、在更进一步优选的实施方案中，加热时的升温速率为1～10℃/min。
14、在优选的实施方案中，所述高能离子注入技术采用氢离子和氦离子注入。
15、在进一步优选的实施方案中，氢离子的注入能量为60kev，注入剂量为1×1017cm-2。
16、在进一步优选的实施方案中，氦离子的注入能量为75kev，注入剂量为3.5×1017cm-2。
17、在优选的实施方案中，步骤s3中所述热处理是指将步骤s2中键合后得到的结构置于500～550℃下的惰性气氛中保持2h；所述退火是指将剥离活性层后的氧化铝衬底在800℃下的惰性气氛中退火2～3h。
18、在优选的实施方案中，所述二维材料为石墨烯、六方氮化硼、过渡金属硫化物中一种。所述过渡金属硫化物优选二硫化钼。
19、本专利技术还提供根据上述任一项所述的方法制备的基于氧化铝缓冲层的硅基单晶二维材料外延片。当所述单晶二维材料为石墨烯或六方氮化硼时，其厚度为0.34nm；当所述单晶二维材料为过渡金属硫化物时，其厚度为0.65～0.66nm。
20、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术中采用氧化铝衬底与硅基衬底复合的方法，实现了在硅基衬底上直接外延生长二维材料的目的，避免了采用对二维材料进行转移的工艺，技术路径更简单，工业化难度更低，既降低了二维材料的生产成本，又提高了二维材料的质量。(2)由于硅基衬底的散热性能优于蓝宝石衬底，因此复合衬底的导热性也优本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于氧化铝缓冲层的硅基单晶二维材料外延片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中的键合采用表面活化键合技术或聚合物晶圆键合技术。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述表面活化键合技术采用快速原子轰击对所述具有活性层的氧化铝衬底和所述硅基衬底表面进行活化，具体参数为：真空度为1×10-6Pa，轰击电压为1.5kV，电流为100mA，氩气流量为10～15sccm，辐射时间为20～40s。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述聚合物晶圆键合技术采用苯并环丁烯作为粘合材料，于100℃下烘烤5分钟，然后在惰性气氛中加热至150～300℃保持20～60分钟；键合过程中的压强为300～400kPa，真空度为10-3mbar。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，加热时的升温速率为1～10℃/min。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高能离子注入技术采用氢离子和氦离子注入。
7.根据权利要求6所述的制备方法
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述热处理是指将步骤S2中键合后得到的结构置于500～550℃下的惰性气氛中保持2h；所述退火是指将剥离活性层后的氧化铝衬底在800℃下的惰性气氛中退火2～3h。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述二维材料为石墨烯、六方氮化硼、过渡金属硫化物中的一种。
10.权利要求1～9任一项所述的制备方法制备的基于氧化铝缓冲层的硅基单晶二维材料外延片。
...【技术特征摘要】
1.一种基于氧化铝缓冲层的硅基单晶二维材料外延片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中的键合采用表面活化键合技术或聚合物晶圆键合技术。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述表面活化键合技术采用快速原子轰击对所述具有活性层的氧化铝衬底和所述硅基衬底表面进行活化，具体参数为：真空度为1×10-6pa，轰击电压为1.5kv，电流为100ma，氩气流量为10～15sccm，辐射时间为20～40s。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述聚合物晶圆键合技术采用苯并环丁烯作为粘合材料，于100℃下烘烤5分钟，然后在惰性气氛中加热至150～300℃保持20～60分钟；键合过程中的压强为300～400kpa，真空度为10-3mbar。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘洋博文，沈晓安，杨冰，黄俊，刘兴林，
申请(专利权)人：湖北九峰山实验室，
类型：发明
国别省市：
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