CN110670017B - 一种六方氮化硼薄膜制备时的带隙调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种六方氮化硼薄膜制备时的带隙调控方法。在制备六方氮化硼薄膜过程中，通过控制六方氮化硼薄膜局域模态控制六方氮化硼薄膜带隙，局域模态包括局域c轴朝向、局域c面面积和局域c向层数，通过增大局域c轴与衬底平面夹角减小薄膜带隙，或者通过减小局域c面面积减小薄膜带隙，或者通过增加局域c向层数减小薄膜带隙。本发明方法实现了对六方氮化硼薄膜制备时进行带隙调控，以无毒无害的靶材和气体为原料，成本较低，设备简单。制备的六方氮化硼薄膜可用于紫外光传感、紫外发光、水体净化等领域。
Description
技术领域
本发明涉及了属于半导体材料领域的一种半导体薄膜带隙调控制备方法，尤其是涉及了一种六方氮化硼薄膜制备时的带隙调控方法。
背景技术
被誉为第三代半导体材料的六方氮化硼是一种间接带隙的宽禁带III-V族化合物。六方氮化硼原子以sp2杂化形式形成共价键。六方氮化硼具有耐腐蚀、耐高温、耐高压等优点；六方氮化硼禁带宽度为5.8eV，吸收带边为213nm，属于深紫外波段，可用作深紫外光电探测器发光器件。目前，日盲紫外(200-280nm)探测应用十分广泛，但六方氮化硼的禁带宽度过大，不能很好地覆盖整个日盲紫外波段，因此提供一种调整六方氮化硼薄膜带隙的方法具有十分重要的应用价值。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种非常简单但方便、成本低廉的用于六方氮化硼制备时的带隙调控方法。
本发明所采用的技术方案是：
在制备六方氮化硼薄膜过程中，通过控制六方氮化硼薄膜局域模态控制六方氮化硼薄膜带隙，局域模态包括局域c轴朝向、局域c面面积和局域c向层数，通过增大局域c轴与衬底平面夹角减小薄膜带隙，或者通过减小局域c面面积减小薄膜带隙，或者通过增加局域c向层数减小薄膜带隙。
局域模态是指六方氮化硼薄膜中六方氮化硼的局域周期特性：局域是六方氮化硼呈现周期特性的区域，局域c轴朝向是指六方氮化硼在局域内六方氮化硼六元环平面的法向，局域c面面积是局域内六方氮化硼六元环平面的面积，局域c向层数则是局域内六元环沿c轴的层数。
通过增加六方氮化硼薄膜的氮缺陷密度降低六方氮化硼带隙。
六方氮化硼薄膜制备具体是包括如下步骤：
1)取绝缘衬底，依次置于丙酮、无水乙醇和去离子水中进行超声清理，并烘干；
2)将绝缘衬底放入磁控溅射炉内托架上，封闭炉门后，调节炉内真空度；
3)向磁控溅射炉内通入氮气与氢气的混合气，将绝缘衬底加热至400-500℃，调整气压为1Pa-2.5Pa，以氮化硼为靶材，磁控溅射1小时；
4)磁控溅射后，将衬底与薄膜加热至600-900℃，在惰性气体的保护下，退火至少1小时。
所述步骤3)中，通过增大磁控溅射的溅射功率，调控增大局域c轴朝向与薄膜平面夹角，减小局域c面面积。
所述步骤3)中，通过对绝缘衬底进行加热，提高绝缘衬底的温度，调控减小局域c轴朝向与薄膜平面的夹角，增大局域c面面积。
所述步骤3)中，通过提高磁控溅射时的气压，调控增大局域c面面积。
所述步骤3)中，通过增大混合气的氢气组分比例，调控减小氮化硼薄膜中的氮缺陷密度。
所述的绝缘衬底优选为石英、带有氧化层的单晶硅片或单晶硅片。
所述氮气与氢气的混合气中，氮气的体积比例为20％-80％。制备的氮化硼薄膜的带隙随着制备时气相中氮气比例增加而减小。
所述的惰性气体是氮气或氩气。
磁控溅射使用的靶材是纯度为99.99％的BN。
本发明技术在减小带隙后可实现了调控探测器响应波长，扩大了探测范围，使得能完整覆盖深紫外波段。
本发明的有益效果在于：
本发明提供具有不同带隙六方氮化硼薄膜的带隙调控方法，方法非常简单地实现了调控探测器响应波长，以无毒无害的靶材和气体为原料，成本较低，设备简单。制备的六方氮化硼薄膜可用于紫外光传感、紫外发光、水体净化等领域。
附图说明
图1为六方氮化硼带隙随氮氢体积比变化的关系图。
图2为实施例2中不同组氮化硼薄膜的傅里叶红外吸收谱1380cm-1峰的半峰宽图。
图3为实施例2中不同组氮化硼薄膜的带隙图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不限于如下的实施例。
实施例1：
1)取四块石英为绝缘衬底，依次置于丙酮、无水乙醇和去离子水中进行超声清理，并烘干；
2)将一块石英衬底放入磁控溅射炉内托架上，封闭炉门后，将炉内真空度降低至不高于5×10-3Pa；
3)向溅射炉内通入氮气与氢气的混合气，氮气比例为20％，并将绝缘衬底加热至400℃，调整气压为1.5Pa，磁控溅射1小时；
4)将衬底与薄膜加热至700℃，在惰性气体的保护下，退火至少1小时。
5)第二块至第四块石英衬底依次重复步骤2、3、4，其中溅射时氮气的比例分别调整为46.7％、73.3％和100％。利用紫外-可见分光光度计测量制备的六方氮化硼薄膜的吸收带边，根据测量的吸收带边获得薄膜的带隙。
如图1所示，随着制备时氮气比例的提高，六方氮化硼随着制备时氮气比例的提高而降低。
实施例2：
1)取四块单晶硅片为绝缘衬底，依次置于丙酮、无水乙醇和去离子水中进行超声清理，并烘干；
2)将一块石英衬底放入磁控溅射炉内托架上，封闭炉门后，将炉内真空度降低至不高于5×10-3Pa；
3)向溅射炉内通入氮气与氢气的混合气，以表1中的条件生长六方氮化硼薄膜，磁控溅射1小时；
表1
| 样品编号 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| 衬底温度(℃) | 400 | 300 | 400 | 400 |
| 溅射功率(W) | 300 | 300 | 400 | 300 |
| 溅射气压(Pa) | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.0 |
4)将衬底与薄膜加热至700℃，在惰性气体的保护下，退火至少1小时。
5)利用傅里叶红外分光光度计测量样品红外吸收谱，分析1380cm-1处吸收峰的半峰宽，利用紫外-可见分光光度计测量样品的吸收带边，根据测量的吸收带边获得薄膜的带隙。
如图2所示，这是根据表1生长条件生长的六方氮化硼薄膜傅里叶红外吸收谱1380cm-1峰半峰宽图。1380cm-1峰半峰宽可以反映样品局域模态，局域c面面积越小，局域c向层数越少，半峰宽越大，局域c轴朝向影响不大。样品1为对照组，样品2生长温度较低，导致局域c面面积较小，半峰宽变大；样品3溅射功率较大，导致局域c面面积较小，半峰宽变大；样品4溅射气压较小，导致局域c向层数较少，局域c面面积较小，局域c轴夹角较大，半峰宽变大。
如图3所示，样品2、3、4的带隙相较于对照组1均变小。
本发明提供的制备氮化硼薄膜时的带隙调控方法操作简单，只需要控制溅射时的氮氢体积比、衬底温度、溅射功率、溅射气压即可显著六方氮化硼薄膜带隙，具有很强的实用价值。
Claims (7)
1.一种六方氮化硼薄膜制备时的带隙调控方法，其特征在于：
在制备六方氮化硼薄膜过程中，通过控制六方氮化硼薄膜局域模态控制六方氮化硼薄膜带隙，局域模态包括局域c轴朝向、局域c面面积和局域c向层数，通过增大局域c轴与衬底平面夹角减小薄膜带隙，或者通过减小局域c面面积减小薄膜带隙；
或者通过增加六方氮化硼薄膜的氮缺陷密度降低六方氮化硼带隙；
通过对绝缘衬底进行加热，提高绝缘衬底的温度，调控减小局域c轴朝向与薄膜平面的夹角，增大局域c面面积；或者通过提高磁控溅射时的气压，调控增大局域c面面积；或者通过增大混合气的氢气组分比例，调控减小氮化硼薄膜中的氮缺陷密度。
2.根据权利要求1所述的一种六方氮化硼薄膜制备时的带隙调控方法，其特征在于六方氮化硼薄膜制备具体是包括如下步骤：
1)取绝缘衬底，依次置于丙酮、无水乙醇和去离子水中进行超声清理，并烘干；
2)将绝缘衬底放入磁控溅射炉内，封闭炉门后，调节炉内真空度；
3)向磁控溅射炉内通入氮气与氢气的混合气，以氮化硼为靶材，磁控溅射1小时；
4)磁控溅射后，在惰性气体的保护下，退火至少1小时。
3.根据权利要求2所述的一种六方氮化硼薄膜制备时的带隙调控方法，其特征在于：所述步骤3)中，通过增大磁控溅射的溅射功率，调控增大局域c轴朝向与薄膜平面夹角，减小局域c面面积；或者通过对绝缘衬底进行加热，提高绝缘衬底的温度，调控减小局域c轴朝向与薄膜平面的夹角，增大局域c面面积；或者通过提高磁控溅射时的气压，调控增大局域c面面积；或者通过增大混合气的氢气组分比例，调控减小氮化硼薄膜中的氮缺陷密度。
4.根据权利要求2所述的一种六方氮化硼薄膜制备时的带隙调控方法，其特征在于：所述的绝缘衬底优选为石英或单晶硅片。
5.根据权利要求2所述的一种六方氮化硼薄膜制备时的带隙调控方法，其特征在于：所述氮气与氢气的混合气中，氮气的体积比例为20％-80％。
6.根据权利要求2所述的一种六方氮化硼薄膜制备时的带隙调控方法，其特征在于：所述的惰性气体是氮气或氩气。
7.根据权利要求2所述的一种六方氮化硼薄膜制备时的带隙调控方法，其特征在于：磁控溅射使用的靶材是纯度为99.99％的BN。
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