CN114059166B - 一种六方氮化硼模板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种六方氮化硼模板的制备方法，包括：将异质衬底放入CVD或者HVPE反应腔室，向反应腔室内通入氮气和/或氢气，并将反应腔室的温度升温至1300‑1500℃，以达到生长BAlN的生长温度；在1300‑1500℃下，向反应腔室内通入氢气以清洗异质衬底，清洗时间为5‑10分钟；在1300‑1500℃条件下，同时向反应腔室内通入氮源、铝源和硼源，使氮源的通入流量为10‑5000sccm，铝源和硼源的通入流量分别为0.05‑10sccm；以及在BAlN层厚度达到50‑1000nm后，改变生长条件，将反应腔室内的生长温度提升1500‑1700℃，压力为10‑100Torr，使氮源的通入流量为10‑1000sccm，硼源的通入流量为0.05‑50sccm，在BAlN缓冲层上原位生长厚度为2‑10μm的六方氮化硼模板，其中，所述六方氮化硼模板的生长速率为0.1‑20μm/h。

Description

一种六方氮化硼模板的制备方法
技术领域
本发明涉及一种六方氮化硼模板的制备方法，特别是涉及薄膜厚度和对衬底的处理技术和防剥离技术。
背景技术
六方氮化硼(h-BN)在很多方面表现出极佳的物理化学性质，包括防腐蚀性，化学稳定性，高导热性等。作为一种宽带隙半导体材料，其禁带宽度为6eV左右，是一种优异的深紫外发光材料。相较氮化铝(AlN)材料，由于其p型掺杂更为容易实现，因此有望在深紫外发光器件得到广泛应用，克服深紫外发光中现存的一系列问题，替代现有的汞灯，实现环保节能的深紫外光源。在半导体固态中子探测器方面，BN也具有独特的优势。10B具有较大的中子捕获截面，因此h-BN是一种理想的固态中子探测器材料。
以蓝宝石为衬底，在h-BN在外延生长过程中，h-BN与蓝宝石之间是通过范德华力相结合。但是由于h-BN与蓝宝石之间较大的热失配和晶格失配，会导致外延生长结束后h-BN与蓝宝石之间通常会出现自剥离现象，研究发现，当h-BN厚度超过一定值时，h-BN与蓝宝石出现自剥离，从而难以形成h-BN/蓝宝石模板衬底。如图1所示，出现自剥离现象时的SEM截面图。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种六方氮化硼模板的制备方法，包括：
1)将异质衬底(如蓝宝石或者SiC衬底等)放入CVD或者HVPE反应腔室，向反应腔室内通入氮气和/或氢气，并将反应腔室的温度升温至1300-1500℃，以达到生长BAlN的生长温度；
2)在1300-1500℃下，向反应腔室内通入氢气以清洗异质衬底，清洗时间为5-10分钟；
3)在1300-1500℃条件下，同时向反应腔室内通入氮源、铝源和硼源，使氮源的通入流量为10-5000sccm，铝源和硼源的通入流量分别为0.05-10sccm，并控制反应腔室的生长压力为10-100Torr，以生长成厚度为50-1000nm的BAlN层；
4)在BAlN层厚度达到50-1000nm后，改变生长条件，将反应腔室内的生长温度提升1500-1700℃，压力为10-100Torr，使氮源的通入流量为10-1000sccm，硼源的通入流量为0.05-50sccm，在BAlN缓冲层上原位生长厚度为2-10μm的六方氮化硼模板，其中，所述六方氮化硼模板的生长速率为0.1-20μm/h；最终得到蓝宝石/BAlN/h-BN模板。
本发明在异质外延制备BN时，先在异质衬底上在高温下先生长一层BAlN薄膜，厚度在50-1000纳米，然后原位更改生长条件，进一步外延生长h-BN材料。通过本方法，可以有效避免BN的剥离现象。
另外，首先沉积的BAlN过渡层，可以有效的消除BN与蓝宝石衬底之间因为晶格失配和热失配导致的分离现象，缓解应力，从而形成完整的BN/蓝宝石模板。
附图说明
图1为含有700纳米左右的BAlN过渡层，BN可以生长到8微米左右都不会出现与蓝宝石的分离现象；
图2为含有700纳米左右BAlN过渡层的BN/蓝宝石模板的XRD曲线；以及
图3为无BAlN过渡层时，BN在很小厚度即与蓝宝石出现分离现象。
具体实施方式
提供以下参考附图的描述是为了帮助全面了解由权利要求及其等同形式所限定的本公开的各种实施例。它包括各种具体的细节来帮助理解，但这些细节只能被视为示范。因此，本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围和精神的情况下，可以对本文所描述的各种实施例进行各种更改和修改。此外，为了清楚和简明，可能省略对公知功能和结构的描述。
以下描述和权利要求中所使用的术语和措辞并不限于书面含义，而是仅仅由发明人使用以使得能够清楚而一致地理解本公开。因此，本领域技术人员应当明白，以下对本公开的各种实施例的描述仅仅为了说明的目的，而不旨在限制由所附权利要求及其等同形式所限定的本公开。
应理解，除非上下文中另有明确指示，未指明数量的表述“一”、“一种”和“该”也包括多个所指对象。
实施例1
本发明提供了一种六方氮化硼模板的制备方法，具体包括如下步骤：
1)将异质衬底(如蓝宝石或者SiC衬底等)放入CVD或者HVPE反应腔室，向反应腔室内通入氮气和/或氢气，并将反应腔室的温度升温至1400℃，以达到生长BAlN的生长温度；
2)在1300-1500℃下，向反应腔室内通入氢气以清洗异质衬底，清洗时间为5-10分钟；
3)在1300-1500℃条件下，同时向反应腔室内通入氮源、铝源和硼源，使氮源的通入流量为50sccm，铝源和硼源的通入流量分别为1sccm，并控制反应腔室的生长压力为10Torr，以生长成厚度为700nm的BAlN层；
4)在BAlN层厚度达到50-1000nm后，改变生长条件，将反应腔室内的生长温度提升1600℃，压力为10Torr，使氮源的通入流量为10sccm，硼源的通入流量为1sccm，在BAlN层上原位生长厚度为5μm的六方氮化硼模板，其中，所述六方氮化硼模板的生长速率为10μm/h；最终得到蓝宝石/BAlN/h-BN模板。
该实施例1所获的蓝宝石/高温BN缓冲层/h-BN模板的截面SEM图如图1所示，对所获蓝宝石/高温BN缓冲层/h-BN模板进行测试，所获XRD衍射图如图2所示。
对比例1
1)将异质衬底(如蓝宝石或者SiC衬底等)放入CVD或者HVPE反应腔室，向反应腔室内通入氮气和/或氢气，并将反应腔室的温度升温至1600℃；
2)在1600℃条件下，向反应腔室内通入氢气以清洗异质衬底，清洗时间为5-10分钟；
3)在1600℃，压力为10Torr，使氮源的通入流量为10sccm，硼源的通入流量为1sccm，在BAlN层上原位生长厚度为4μm的六方氮化硼模板，其中，所述六方氮化硼模板的生长速率为10μm/h；最终得到蓝宝石/h-BN模板。
对比例1所获蓝宝石/h-BN模板的截面SEM图如图3所示，已经出现自剥离。
通过实施例和对比例所获h-BN模板的测试结果可以看出，高温BAlN层，可以有效避免BN和蓝宝石的自分离，从而可实现一定厚度的氮化硼/蓝宝石模板。

Claims (1)

1.一种六方氮化硼模板的制备方法，包括：
将异质衬底放入CVD或者HVPE反应腔室，向反应腔室内通入氮气和/或氢气，并将反应腔室的温度升温至1300-1500℃，以达到生长BAlN的生长温度，所述异质衬底为蓝宝石或SiC衬底；
在1300-1500℃下，向反应腔室内通入氢气以清洗异质衬底，清洗时间为5-10分钟；
在1300-1500℃条件下，同时向反应腔室内通入氮源、铝源和硼源，使氮源的通入流量为10-5000sccm，铝源和硼源的通入流量分别为0.05-10sccm，并控制反应腔室的生长压力为10-100Torr，以生长成厚度为50-1000nm的BAlN层；以及
在BAlN层厚度达到50-1000nm后，改变生长条件，将反应腔室内的生长温度提升1500-1700℃，压力为10-100Torr，使氮源的通入流量为10-1000sccm，硼源的通入流量为0.05-50sccm，在BAlN缓冲层上原位生长厚度为2-10μm的六方氮化硼模板，其中，所述六方氮化硼模板的生长速率为0.1-20μm/h。
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