CN104060322A - 一种大尺寸原子层厚六方氮化硼单晶的制备方法 - Google Patents

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郭万林
殷俊
李雪梅
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Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
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Abstract

本发明提供了一种大尺寸原子层厚六方氮化硼单晶的制备方法，选用单晶Ge或单晶Si为基底，将基底清洗后升温，单晶Ge升温至800～930℃，单晶Si升温至1000～1400℃，使用化学气相沉积法在基底表面生长大尺寸原子层厚六方氮化硼单晶。本发明利用Ge、Si等单晶表面生长的六方氮化硼的晶粒取向对基底晶向的依赖关系，使得不同晶粒长大后边界拼接相匹配，形成大面积高质量六方氮化硼单晶。

Description

一种大尺寸原子层厚六方氮化硼单晶的制备方法
技术领域
本发明涉及六方氮化硼制备领域，具体是一种大尺寸原子层厚六方氮化硼单晶的制备方法。
背景技术
六方氮化硼是由硼、氮原子构成具有正六边形晶格的材料，当其仅为原子层厚时，在具有自然界最薄结构的同时还保持非常高的化学稳定性、热稳定性、高的机械强度和光学性质。它具有5.97eV直接带隙，是优异的宽禁带绝缘体，使其在电子器件构筑方面有非常重要的作用。
作为极有潜在应用价值的纳电子材料，六方氮化硼的高质量制备一直是关注的焦点之一。寻求使拓扑缺陷浓度尽可能低、单晶尺寸尽可能大的六方氮化硼制备方法十分重要。目前主要的六方氮化硼制备方法有机械剥离法、化学剥离法、化学气相沉积法等。机械剥离法，效率低、产量极小，仅能作为实验室试样使用；基于液剥离方法，可以得到较大的产量，但得到的六方氮化硼呈碎片结构，单晶尺寸小，缺陷浓度高、成膜质量不均匀，不适合作为电子和信息器件应用。
现有的化学气相沉积方法可以在金属基底表面制备得到大面积的六方氮化硼单层，但通常采用的铜、镍等金属基底对六方氮化硼的取向没有决定性，六方氮化硼在基底上多处成核、且取向不一致，成核后的小晶粒在后续生长中“由岛成面”，形成单层或少数层六方氮化硼膜。由于各晶粒的取向不一致，不同晶粒长大后边界拼接不匹配，形成大量晶界类拓扑缺陷，这使得基于这类方法得到的材料在晶界处的性能难以控制，对力学、电学性能都有很大影响。
发明内容
本发明为了解决现有技术制备的六方氮化硼存在缺陷的问题，提供了一种大尺寸原子层厚六方氮化硼单晶的制备方法，使得不同晶粒长大后边界拼接相匹配，形成大面积高质量六方氮化硼单晶。
本发明包括下列步骤：
1. 六方氮化硼生长基底的处理：选用晶面为（100），（110）或（111）面的单晶Ge或单晶Si为基底，通过化学清洗手段，去除基底表面氧化层和污染物，可选择进一步在基底表面通过外延生长得到清洁、平整的表面；
2. 六方氮化硼的沉积生长：采用化学气相沉积的方法，以硼烷氨络合物为固态源，流量为1～200mL∕min的氢气或氢气和惰性气体的混合气体为载流气体。首先，将基底升温至高温，当基底选用单晶Ge时，所述的高温为800～930℃。当基底选用单晶Ge时，所述的高温为1000～1400℃。然后，将硼烷氨络合物加热至50～200℃挥发提供气态源，在基底表面生长10～120min形成原子层厚的单晶六方氮化硼，再以1～100℃∕min的速度降至室温。
本发明有益效果在于：本发明利用Ge、Si等单晶表面生长的六方氮化硼的晶粒取向对基底晶向的依赖关系，使得不同晶粒长大后边界拼接相匹配，形成大面积高质量六方氮化硼单晶。实现了Ge、Si等半导体表面生长原子厚度的宽禁带绝缘层，在电子器件制备等方面有重要用途；且利用该方法生长的六方氮化硼的热、化学稳定性远高于常规化学气相沉积制备的多晶六方氮化硼。
附图说明
图1 为实施例1制备的六方氮化硼的原子力显微镜照片 (5 微米×5 微米)。
图2 为实施例2制备的六方氮化硼的反射光谱。
图3 为实施例2制备的六方氮化硼扫描电镜照片(100 微米×100 微米)。
图4 为实施例3制备的大面积六方氮化硼的高分辨透射电镜原子像照片。
图5 为实施例3制备六方氮化硼测量的选区衍射图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细说明，但本发明并不限于以下实例。
下述实施例中所述方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1
以1英寸的Ge(110)为基底，使用10%的HF溶液，去除表面氧化层后立即装入反应腔室；以硼烷氨络合物为固态源，流量为10 mL∕min的氢气为载流气体。首先，在载气保护下将基底升温至920℃，将硼烷氨络合物加热至60℃挥发提供气态源，在基底表面生长20min形成不完整的原子层厚的单晶六方氮化硼，再在载气保护下以30℃∕min的速度降至室温；
用原子力显微镜对生长氮化硼后的基底进行成像，结果见图1，可以看到氮化硼晶粒的取向一致。
实施例2
以4英寸Si(100)为基底，使用丙酮去除表面有机污染物后，使用15%的HF溶液去除表面氧化层后立即装入反应腔室；以硼烷氨络合物为固态源，流量为50 mL∕min的氢气为载流气体。首先，在载气保护下将基底升温至1300℃，将硼烷氨络合物加热至80℃挥发提供气态源，在基底表面生长30min形成完整的原子层厚的单晶六方氮化硼，再在载气保护下以60℃∕min的速度降至室温；
从反射光谱，图2，中可以看到在深紫外区出现了明显的六方氮化硼的吸收峰。扫描电镜照片，图3说明六方氮化硼已完全覆盖基底表面。
实施例3
以2英寸Ge(111)为基底，使用10%的HF溶液去除表面氧化层后立即装入反应腔室，随后通入GeH4在600℃下在基底表面外延生长一层厚度约50nm厚Ge的外延层。以硼烷氨络合物为固态源，流量为50 mL∕min的氢气、氩气混合气体为载流气体，氢气、氩气比例为1：10。首先，在载气保护下将基底升温至920℃，将硼烷氨络合物加热至60℃挥发提供气态源，在基底表面生长60min形成完整的原子层厚的单晶六方氮化硼，再在载气保护下以20℃∕min的速度降至室温；
高分辨透射电镜图片，图4，显示了六方氮化硼的原子像，孔洞边缘说明六方氮化硼仅单原子层厚。选区衍射，图5表明六方氮化硼薄膜为单晶。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种大尺寸原子层厚六方氮化硼单晶的制备方法，其特征在于：选用单晶Ge或单晶Si为基底，将基底清洗后升温，单晶Ge基底升温至800～930℃，单晶Si基底升温至1000～1400℃，使用化学气相沉积法在基底表面生长大尺寸原子层厚六方氮化硼单晶。
2.根据权利要求1所述的大尺寸原子层厚六方氮化硼单晶的制备方法，其特征在于：所述的单晶基底晶面为（100），（110）或（111）面。
3.根据权利要求1所述的大尺寸原子层厚六方氮化硼单晶的制备方法，其特征在于：所述的化学气相沉积法以硼烷氨络合物为固态源，以流量为1～200mL∕min的氢气或氢气和惰性气体的混合气体为载流气体，将硼烷氨络合物加热至50～200℃挥发提供气态源，在基底表面生长10～120min形成原子层厚的单晶六方氮化硼，再以1～100℃∕min的速度降至室温。
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