高硼组分二维III族多元氮化物混合晶体及其制备方法技术

本发明专利技术公开了高硼组分二维III族多元氮化物混合晶体及其制备方法。该方法为低压化学气相沉积方法，设置级联式递进三温区结构，并于中段梯度温区进行加速混晶分子的气相预替位，实现高效可控二维混晶。本发明专利技术制备的高硼组分二维III族多元氮化物混合晶体表面平整性好，用于器件结构中的层间匹配度高，混合晶体中的硼组分高；可作为优良衬底用于制备高质量InAlGaN等多元氮化物半导体，制备性能优良的中子探测器、深紫外LED、深紫外探测器；可广泛应用于紫外固化光源、紫外光通信、紫外空气净化、紫外医疗、紫外水净化、紫外光解油烟等领域。域。域。

【技术实现步骤摘要】
高硼组分二维III族多元氮化物混合晶体及其制备方法


[0001]本专利技术属于材料
，具体涉及二维半导体混晶材料的制备。

技术介绍

[0002]二维材料(2D)的蓬勃发展为下一代量子电学元器件的发展铺平了道路。六方氮化硼(h
‑
BN)作为2D材料族的主要成员之一，h
‑
BN具有与石墨烯类似的蜂窝结构，由平面内的sp2杂化键和平面外的范德华力相互作用组成，是与石墨烯同构的材料。由于其独特的物理性质，如低介电常数、高化学稳定性和热稳定性、高机械强度、以及高导热率和接近零极化，六方BN引起了大家的广泛关注。最重要的是，它具有约6eV的光学带隙，这使其成为2D材料中最重要的带隙半导体，因此有望应用于深紫外(DUV)发光二极管(LED)，DUV光电探测器，中子探测器等器件中。
[0003]由B及其他III族元素一起构成的多元氮化物半导体，可结合BN及其他III族元素氮化物的优良性质，并产生一些额外的优良性能。在材料的制备过程中，可以通过调节元素比例实现对带隙的调节，对响应波段进行调控，实现不同波段器件的研制。目前，大部分III族多元氮化物半导体都是体材料。
[0004]其中，由B、Ga、N三种元素构成的三元化合物即为BGaN混合晶体，其基本性质与BN及GaN相关联，属于宽禁带半导体，其带隙宽度可在3.4～5.5eV之间进行调节，发光波长在紫外波段，波长可调节范围在225～365nm。目前，对BGaN混合晶体的研究较少，国际上有关BGaN混合晶体的研究大都采用MOCVD在生长GaN体材料的工艺中额外添加B源的方法，Ga组分高，硼组分大多低于3％，最高硼组分至今只能达到7％；同时，相关研究都集中在体材料上，尚未有有关二维BGaN材料的相关研究报道；由于Ga原子与B原子半径相差较大，使得GaN和BN之间的晶体结构相差较大，MOCVD生长出来的GaN为纤锌矿结构，而纤锌矿结构的BN为一种亚稳态物质，所以用MOCVD法生长出来的BGaN中的BN是依附于纤锌矿结构GaN构成的一种纤锌矿结构，整体的BGaN混合晶体也为纤锌矿结构。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术旨在针对目前对二维BGaN等二维III族多元氮化物混合晶体领域相关研究的空白，提出了高硼组分二维III族多元氮化物混合晶体及其制备方法。此方法通过简单的化学气相沉积法，生长出二维III族多元氮化物混合晶体，如二维的BGaN混合晶体，使混合晶体仅有原子级尺度的厚度，顺应了材料和器件尺寸趋向超薄、超小、超轻发展的研究方向与技术方向，对二维半导体晶圆的研究与发展具有十分重大的意义。
[0006]为实现以上目的，本专利技术在二维III族多元氮化物混合晶体的研究中提出了新思路，提供了一种制备高硼组分二维III族多元氮化物混合晶体的方法，使用化学气相沉积法，设置级联式递进三温区结构，包括启动端温区、中段梯度温区以及高温恒温温区；启动端温区放置BN前驱物，中段梯度温区放置含III族金属的混晶源，高温恒温温区用于形成混合晶体；所述启动端温区的温度不低于BN前驱物的分解温度，所述中段梯度温区的温度不
低于含III族金属的混晶源的分解温度，所述高温恒温温区的温度为1000～1100℃；这样，在生长二维BN薄膜时，BN前驱物受热分解出的物质与含III族金属的混晶源受热分解出的物质在中段梯度温区发生加速的气相预替位，部分形成III族金属
‑
N分子，从而在高温恒温区的衬底表面形成高硼组分二维III族多元氮化物混合晶体薄膜。
[0007]本专利技术所述的“高硼组分”指的是，在制得的高硼组分二维III族多元氮化物混合晶体中，B组分含量高于III族金属组分含量。
[0008]本专利技术获得的高硼组分二维III族多元氮化物混合晶体(如高硼组分二维BGaN混合晶体)薄膜材料，层数为单层或少层(例如2～10层)，晶格结构为蜂窝状六方晶型结构。
[0009]在一个具体的实施例中，本专利技术的方法包括以下步骤：
[0010]1)使用低压化学气相沉积法，在石英管式炉等装置中设置好级联式递进三温区结构，包括启动端温区、中段梯度温区以及高温恒温温区；
[0011]2)用石英舟在启动端温区放置BN前驱物(所述BN的前驱物为同时含B及N原子的无机或有机化合物)，中段梯度温区放置含III族金属的混晶源(所述混晶源为含III族金属源(如Ga、Al、In)的化合物)，高温恒温温区放置合适的反应衬底；所述衬底可为金属箔片或半导体晶圆，并同时可充当催化剂作用；
[0012]3)阶段开始前先将级联式递进三温区结构的腔内真空度降到低于10
‑4torr；
[0013]4)首先将高温恒温温区的温度调整为800～1000℃，在保护气的氛围下，对衬底进行退火处理20～60min；
[0014]4)退火完成后，对各温区进行温度设置，使气相沉积系统不同温区都能在指定时间达到指定温度，启动端温区需要在反应开始前达到BN前驱物的分解温度75～100℃，中段梯度温区需要在反应开始前达到Ga源的分解温度800～1050℃，高温恒温温区在上述高温退火处理后，再调整达到1000～1100℃的反应温度进行反应与沉积；
[0015]6)反应开始时，向所述级联式递进三温区结构中通入反应载气，BN前驱物受热分解出的物质以及含III族金属的混晶源受热分解出的物质在反应载气的作用下在中段梯度温区发生加速的气相预替位反应，部分形成III族金属
‑
N分子，并被反应载气输送至高温恒温区，在衬底的催化作用下沉积形成高硼组分二维III族多元氮化物混合晶体；
[0016]7)生长结束后，通入保护气，防止在降温过程中二维BGaN被刻蚀，自然冷却，待温度下降至室温后，取出长有高硼组分二维III族多元氮化物混合晶体的衬底。
[0017]本专利技术中，所述级联式递进三温区结构是依据低压化学气相沉积法进行设置的。
[0018]本专利技术中，所述级联式递进三温区结构基于管式炉，炉体为石英管所制，且包括三个独立控温温区。三个温区之间塞有隔热材料，用于阻隔三个温区间的相互热影响。
[0019]本专利技术中，所述前驱物及衬底都可选用石英舟放入级联式递进三温区结构中，其中，BN前驱物放置于启动端温区，混晶源放置于中段梯度温区，衬底放置于高温恒温温区。
[0020]本专利技术中，BN前驱物为B、N混合的固态试剂，可选用硼烷氨(borazane)粉末、硼嗪(borazine)粉末等含B、N元素的物质中的一种或者两种或多种相关物质的混合。
[0021]本专利技术中，所述含III族金属的混晶源含有III族金属Ga、Al、In中的至少一种。
[0022]本专利技术中，所述高硼组分二维III族多元氮化物混合晶体包括高硼组分二维BGaN混合晶体、高硼组分二维BAlN混合晶体、高硼组分二维BGaAlN混合晶体、高硼组分二维BInN混合晶体、高硼组分二维BGaInN混合晶体、高硼组分二维BInAlN混合晶体。
[0023]本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备高硼组分二维III族多元氮化物混合晶体的方法，其特征在于：使用化学气相沉积法，设置级联式递进三温区结构，包括启动端温区、中段梯度温区以及高温恒温温区；所述启动端温区放置BN前驱物，所述中段梯度温区放置含III族金属的混晶源，所述高温恒温温区用于形成所述混合晶体；所述启动端温区的温度不低于BN前驱物的分解温度，所述中段梯度温区的温度不低于含III族金属的混晶源的分解温度，所述高温恒温温区的温度为1000～1100℃；在生长二维BN时，BN前驱物受热分解出的物质与含III族金属的混晶源受热分解出的物质在中段梯度温区进行加速的气相预替位，部分形成III族金属
‑
N分子，从而在高温恒温温区形成高硼组分二维III族多元氮化物混合晶体。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：包括：1)使用化学气相沉积法，设置所述级联式递进三温区结构，包括所述启动端温区、所述中段梯度温区以及所述高温恒温温区；2)在所述级联式递进三温区结构的启动端温区放置BN前驱物；在所述级联式递进三温区结构的中段梯度温区放置含III族金属的混晶源；在所述级联式递进三温区结构的高温恒温温区放置衬底；3)将所述级联式递进三温区结构内的真空度调至10
‑4torr以下；4)将高温恒温温区的温度调整为800～1000℃，在保护气的氛围下，对衬底进行退火处理20～60min；5)所述退火完成后，将所述启动端温区的温度调整为75～100℃，将所述中段梯度温区的温度调整为800～1050℃，将所述高温恒温温区的温度调整为1000～1100℃；6)往所述级联式递进三温区结构中通入反应载气，反应载气携带BN前驱物分解出的物质与含III族金属的混晶源分解出的物质在中段梯度温区发生气相预替位反应，部分形成III族金属
‑
N分子，通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡端俊，张宏烨，卢诗强，沈鹏，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：