单原子层二维氮化物的制备方法技术

本发明专利技术公开了单原子层二维氮化物的制备方法，该方法在采用模板法生长二维氮化物的时候，避免长出层数较多的前体模板，而是通过控制PVT法中的气流量、反应升温曲线、源端和衬底的距离等因素，获得完美的单原子层厚度。此外尽量避免在整个氮化的过程中刻蚀现象严重，模板严重损坏难以得到平整低缺陷的单原子层氮化物。化物。化物。

【技术实现步骤摘要】
单原子层二维氮化物的制备方法


[0001]本专利技术是关于
Ⅲ‑Ⅴ
族宽禁带二维半导体领域，特别是关于一种单原子层二维氮化物的制备方法。

技术介绍

[0002]氮化物半导体是作为第三代半导体家族中重要的一个家族，具有许多优良特性，它具有较宽的禁带宽度，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率的电子器件，在5G基站、新能源车、光伏等领域大放异彩。与此同时，随着对二维材料的研究逐渐深入，其展现的性能也越来越丰富，展现出很多原本块体材料所不具备的特性，进一步拓宽材料的应用领域。因此，很多人开始把二维和氮化物半导体相结合，研究二维氮化物半导体。
[0003]二维氮化物半导体具有诸多优良特性，其具有更宽的禁带宽度、优异的机械应变能力、更好的光学透性、超低热导率等特点。有关二维氮化物半导体的理论计算相关的研究已经很多，也有一定关于生长薄层氮化物的研究，但是生长出来的二维氮化物要么是在夹层中，难以深入表征其性质，要么是与衬底成键，无法完整准确的表征性质，真正生长出理想下自支撑并且是单原子层二维氮化物的研究一直没有实质进展。而如果可以生长出自支撑单原子层二维氮化物，就可以将其剥离，深入研究单原子层氮化物半导体性质，而不受周围其他材料的影响。
[0004]为了得到单原子层的氮化物半导体，不少研究者尝试用模板法通过替代原子的方法去得到二维氮化物，这种方法可以得到不与衬底成键的反应前体，进而得到不与衬底成键的氮化物。但是他们的模板远没有达到单原子层级别，加之用传统的化学气相沉积(CVD)的方法，得到的氮化物氮化效果较差，损伤也很大。因此急需一种更好的模板法氮化方法。
[0005]公开于该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种单原子层二维氮化物的制备方法，其能够克服现有技术中无法获得单原子层级别模板的技术问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术的实施例提供了一种单原子层二维氮化物的制备方法，包括：
[0008]提供一反应装置，所述反应装置包括相连通的第一反应腔室和第二反应腔室；
[0009]在第一反应腔室内放置III
‑
VI族化合物蒸发源，在第二反应腔室内放置生长衬底；
[0010]对蒸发源进行加热，将蒸发的III
‑
VI族原子气体输运至生长衬底表面，在生长衬底表面形成单原子层模板，气体输运过程中的气体流量范围10sccm
‑
50sccm，III
‑
VI族原子在生长衬底表面生长的时间为5min
‑
10min；
[0011]将单原子层模板转移至等离子体发生装置中，通过N原子替换单原子层模板中非
Ⅲ‑Ⅴ
族原子，形成单原子层二维氮化物。
[0012]在一个或多个实施方式中，所述蒸发源为Ga金属和Ga2Se3，Ga金属和Ga2Se3摩尔比例在1:10～1:100范围内。
[0013]在一个或多个实施方式中，对蒸发源进行加热满足条件：先以5
‑
20℃/min升温至350
‑
450℃，维持5～10min，再以5
‑
10℃/min升温至650
‑
750℃，维持5～10min，再以1
‑
7℃/min升温至800～920℃后维持5～10min。
[0014]在一个或多个实施方式中，所述蒸发源为GaS粉末，对蒸发源进行加热满足条件：以0.1
‑
1℃/min的升温速率升至800～900℃后加热5min～10min。
[0015]在一个或多个实施方式中，所述蒸发源和生长衬底之间的距离控制在5cm～15cm范围内。
[0016]在一个或多个实施方式中，所述第一反应腔室和第二反应腔室之间设置有阀门，所述阀门对流经的气体流量可调。
[0017]在一个或多个实施方式中，在所述等离子体发生装置中，同时通入H等离子体和N等离子体，通入N等离子体的流量大于H等离子体的流量。
[0018]在一个或多个实施方式中，所述N等离子体的流量在1sccm
‑
10sccm，所述H等离子体的流量在0.1sccm
‑
1sccm，N原子和H原子的比例控制在10:1
‑
20:1。
[0019]在一个或多个实施方式中，所述单原子层模板为单层原子的GaS、InS、GaSe、InSe、GaTe或InTe。
[0020]在一个或多个实施方式中，所述气体输运过程中所采用的气体为氮气或者氩气。
[0021]与现有技术相比，本专利技术采用物理气相沉积(PCT)方法，通过控制反应过程中的气体输送流量、反应升温曲线和反应时间等条件，可以在衬底上制备出单原子层的前体模板。
附图说明
[0022]图1是根据本专利技术一实施方式的反应装置的结构示意图；
[0023]图2是根据本专利技术一实施方式的反应装置中阀门的结构示意图，图中(1)
‑
(4)为阀门孔径依次变小的状态示意图；
[0024]图3是根据本专利技术一实施方式的N原子替换单原子层模板中非
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族原子的原理示意图；
[0025]图4是根据本专利技术实施例1中获得的GaSe模板示意图，其中，(a)是AFM扫描得到的单层GaSe模板，(b)是对应该模板的GaSe的单原子层厚度；
[0026]图5是对比例4中所获得的模板的SEM图和CL图，其中(a)是指不采用规定参数生长的较厚的GaSe的SEM形貌图，(b)是其对应的CL图；
[0027]图6是模板通过H原子刻蚀后的形貌图，其中a)为实施例1中模板刻蚀后的形貌图，b)为对比例7中模板刻蚀后的形貌图。
具体实施方式
[0028]下面结合附图，对本专利技术的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本专利技术的保护范围并不受具体实施方式的限制。
[0029]除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变
换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
[0030]如图1所示，根据本专利技术优选实施方式的一种反应装置10，该反应装置10包括相连通的第一反应腔室11和第二反应腔室12，以及设置在第一反应腔室11和第二反应腔室12之间的阀门13。
[0031]反应装置10用以实现物理气相沉积(PVT)，其中，第一反应腔室11作为源端用以放置蒸发源20，第二反应腔室12作为生长端用以放置生长衬底30。第一反应腔室11中蒸汽流通过气体输运方式向第二反应腔室12运送时，阀门13用以控制气体输送的流量大小，进而可以调整流过生长衬底30的蒸汽流量。
[0032]参图2所示，在优选的方式中，阀门13的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单原子层二维氮化物的制备方法，其特征在于，包括：提供一反应装置，所述反应装置包括相连通的第一反应腔室和第二反应腔室；在第一反应腔室内放置III
‑
VI族化合物蒸发源，在第二反应腔室内放置生长衬底；对蒸发源进行加热，将蒸发的III
‑
VI族原子气体输运至生长衬底表面，在生长衬底表面形成单原子层模板，气体输运过程中的气体流量范围10sccm
‑
50sccm，III
‑
VI族原子在生长衬底表面生长的时间为5min
‑
10min；将单原子层模板转移至等离子体发生装置中，通过N原子替换单原子层模板中非
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族原子，形成单原子层二维氮化物。2.如权利要求1所述的单原子层二维氮化物的制备方法，其特征在于，所述蒸发源为Ga金属和Ga2Se3，Ga金属和Ga2Se3摩尔比例在1:10～1:100范围内。3.如权利要求2所述的单原子层二维氮化物的制备方法，其特征在于，对蒸发源进行加热满足条件：先以5
‑
20℃/min升温至350
‑
450℃，维持5～10min，再以5
‑
10℃/min升温至650
‑
750℃，维持5～10min，再以1
‑
7℃/min升温至8...

【专利技术属性】
技术研发人员：李春晓，宋文涛，吴伟汉，陈科蓓，韩厦，徐科，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：