CN114277443B - 氮化物单晶薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化物单晶薄膜及其制备方法和应用。所述基于铁电材料衬底远程外延生长氮化物单晶薄膜的方法包括：将铁电材料衬底的温度调节至铁电材料的居里温度点以上，并对所述铁电材料衬底施加电场进行极化处理，以将所述铁电材料衬底的极化强度调节至50～120μC/cm2，之后使所述铁电材料衬底冷却；在铁电材料衬底表面覆设二维材料；在所述二维材料表面外延生长氮化物外延层。本发明实施例提供的一种基于铁电材料衬底远程外延生长氮化物单晶薄膜的方法，通过调节衬底的极化强度，有效的改善了氮化物外延层的单晶程度，从而获得高质量、极性一致的氮化物薄膜。
Description
技术领域
本发明特别涉及一种氮化物单晶薄膜及其制备方法和应用，属于半导体技术领域。
背景技术
第三代半导体材料氮化镓(GaN)和氮化铝(A1N)晶体是十分有潜力的直接带隙宽禁带半导体材料，具有优良的高电子饱和迁移速度，高击穿场强、耐高温，耐腐蚀等特性，广泛用于发光二极管，半导体功率器件和射频组件的器件应用。然而，阻碍氮化物器件制造的主要困难之一是缺乏晶格匹配的衬底材料。如目前使用最广泛的蓝宝石衬底(a＝0.4758nm)与GaN(a＝0.3189nm)的晶格常数相差16.97％，和A1N(a＝0.3112nm)的晶格常数相差18.37％，大的晶格失配会形成高密度的晶体缺陷。
二维材料，是指电子仅可在两个维度的纳米尺度上自由运动(平面运动)的材料，如纳米薄膜、超晶格、量子阱。二维材料是伴随着2004年曼彻斯特大学Geim小组成功分离出单原子层的石墨材料石墨烯而提出的。石墨烯是一种单原子厚度的sp2杂化碳原子片，位于六边形蜂窝晶格中。石墨烯的范德华厚度为0.34nm，是目前已知最薄的材料。因为其极薄的特性，石墨烯的光学透明性良好，单层石墨烯层的光吸收在可见光谱范围内约为2.3％，适用于各种光电设备应用的透明，导电和柔性电极。由于石墨烯具有光学透明性，它可以连接放置在其两侧的两种介质之间的静电相互作用，实现在极性衬底上远程外延单晶薄膜。然而，二维材料的极性和层数会影响衬底透过的静电势强度，氮化物薄膜的质量也会受到影响。
CN110875170A中公开一种基于氮化硼中间层远程外延生长二硫化铪的方法，其将h-BN晶畴或薄膜材料转移至目标衬底上；对所述h-BN进行厚度减薄处理；对所述h-BN进行退火处理；在所述h-BN衬底表面生长HfS2原子晶体，远程外延制备HfS2/h-BN异质结材料。CN109896543A中公开了一种远程外延生长可转移钛酸钡单晶薄膜的方法，通过选择晶格常数与待制备薄膜相近的单晶衬底，在衬底表面覆盖一层石墨烯，使用脉冲激光沉积法在覆盖有石墨烯的衬底上生长钛酸钡薄膜，将生长得到的薄膜进行Cr金属应力层的生长，使薄膜能够剥离转移。利用远程外延原理，使衬底透过石墨烯对薄膜结晶和取向进行控制，获得单晶外延的薄膜，另外由于石墨烯微弱的范德华力，生长得到的单晶外延薄膜可以简便地转移到任意衬底。CN110637372A中公开了一种通过远程外延来制造半导体器件的系统和方法，所述制造半导体器件的方法包括在第一基底上形成释放层，并且所述释放层包含平面有机分子。所述方法还包括在释放层上形成单晶膜以及将单晶膜从释放层转移至第二基底。
METHODS，APPARATUS，AND SYSTEMS FOR REMOTE EPITAXY USING STITCHEDGRAPHENE，WO/2020/072871
然而，常规衬底(GaN，A1N)表面容易被氧污染，衬底透过二维材料的静电相互作用力被大大弱化；大部分极性衬底的静电势场弱，穿透二维材料数最高仅有三层；除了石墨烯，其他极性二维材料也会阻碍衬底的静电势穿透。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮化物单晶薄膜及其制备方法和应用，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种基于铁电材料衬底远程外延生长氮化物单晶薄膜的方法，包括：
将铁电材料衬底的温度调节至铁电材料的居里温度点以上，并对所述铁电材料衬底施加电场进行极化处理，以将所述铁电材料衬底的极化强度调节至50～120μC/cm2，之后使所述铁电材料衬底冷却；
在铁电材料衬底表面覆设二维材料；
在所述二维材料表面外延生长氮化物外延层。
本发明实施例还提供了由所述的方法形成的氮化物单晶薄膜。
本发明实施例提供了一种半导体器件，包括所述的氮化物单晶薄膜。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
1)本发明实施例提供的一种基于铁电材料衬底远程外延生长氮化物单晶薄膜的方法，通过调节衬底的极化强度，有效的改善了氮化物外延层的单晶程度，从而获得高质量、极性一致的氮化物薄膜；
2)本发明实施例提供的一种基于铁电材料衬底远程外延生长氮化物单晶薄膜的方法，所采用的二维材料有助于进一步缓解氮化物外延层和铁电材料衬底间的晶格失配，有效的降低应力和位错；
3)本发明实施例提供的一种基于铁电材料衬底远程外延生长氮化物单晶薄膜的方法，氮化物外延层可通过机械剥离的方式轻松剥落，在灵活转移的异质集成和柔性光电器件领域有广泛的应用。
附图说明
图1是本发明一典型实施案例中提供的一种基于铁电材料衬底远程外延生长氮化物单晶薄膜的工艺流程示意图；
图2是本发明一典型实施案例中提供的一种基于铁电材料衬底远程外延生长氮化物单晶薄膜的生长示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
针对现有技术中易破损的二维材料层和现有衬底有限的极化强度，本发明实施例提供了一种基于铁电材料衬底远程外延生长氮化物单晶薄膜的方法通过调节衬底极化强度，增强衬底穿透二维材料的层数，避免了因损伤和污染的界面影响衬底的电势穿透问题。
本案发明人研究发现，使用与氮化物具有较小晶格失配的替代衬底可以克服现有技术中的问题，由于铁电材料如铌酸锂(LiNbO3)的(0001)面与GaN的(0001)面有6.8％的晶格失配，因此有望在LiNbO3等铁电材料衬底上生长出更高质量的氮化物薄膜。
本发明实施例提供了一种基于铁电材料衬底远程外延生长氮化物单晶薄膜的方法，通过选择合适静电势强度的衬底，结合不同极性的二维材料可以有效的实现氮化物单晶(或单晶氮化物)薄膜的远程外延生长，以及，本案发明人还发现，LiNbO3等铁电材料具有极化强度可以随外加电场强度的变化连续可调的特点，利用该特点可有效调节透过二维材料的静电相互作用，使其可以更加有效的控制氮化物生长的取向与极性，从而改善氮化物薄膜的质量。
本发明实施例提供了一种基于铁电材料衬底远程外延生长氮化物单晶薄膜的方法，包括：
将铁电材料衬底的温度调节至铁电材料的居里温度点以上，并对所述铁电材料衬底施加电场进行极化处理，以将所述铁电材料衬底的极化强度调节至50～120μC/cm2，之后使所述铁电材料衬底冷却；
在铁电材料衬底表面覆设二维材料；
在所述二维材料表面外延生长氮化物外延层。
在一具体实施方式中，对所述铁电材料衬底进行极化处理时，施加在所述铁电材料衬底上的电流密度为10～30mA/cm2。
在一具体实施方式中，所述的方法包括：在完成所述的极化处理后，以20-35℃/h的降温速度使所述铁电材料衬底冷却至室温。
在一具体实施方式中，所述铁电材料衬底的材质包括LiNbO3、BaTiO3、SrTiO3、KNbO3、PZT中的任意一种，但不限于此。
在一具体实施方式中，所述的方法还包括：先于1050℃以上的温度条件下，以氢气对所述二维材料表面进行清洁处理，之后在所述二维材料表面外延生长氮化物外延层。
在一具体实施方式中，所述二维材料为少层二维材料，优选为1-3层。
在一具体实施方式中，所述二维材料的材质包括石墨烯或六方氮化硼等。
在一具体实施方式中，所述的方法包括：先于550～750℃条件下进行第一氮化物层的生长，以在所述二维材料表面生长形成多个氮化物单晶颗粒；再于1000～1100℃条件下进行第二氮化物层的生长，以使多个所述氮化物单晶颗粒横向扩径生长并相互合并直至形成所述氮化物外延层。
可以理解的，所述第二氮化物层即为第一氮化物层所包含的氮化物单晶颗粒横向扩径生长的产物，1000～1100℃的高温条件有利于使氮化镓颗粒横向扩径生长并相互合并。
在一具体实施方式中，所述的方法包括：在进行所述第一氮化物层的生长时，控制氮源的通入流量为10～15L/min，金属源的通入流量为20～30L/min。
在一具体实施方式中，所述第一氮化物层的生长时间为5～10min。
在一具体实施方式中，所述的方法包括：在进行所述第二氮化物层的生长时，控制氮源的通入流量为20～25L/min，金属源的通入流量为35～45L/min。
在一具体实施方式中，所述第二氮化物层的生长时间为120～180min。
在一具体实施方式中，所述的方法还包括：将所述氮化物外延层与所述二维材料分离。
本发明实施例还提供了由所述的方法形成的氮化物单晶薄膜。
本发明实施例提供了一种半导体器件，包括所述的氮化物单晶薄膜。
如下将结合附图对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明实施例中在进行氮化物单晶薄膜的远程生长的过程中所使用的生长设备可以是本领域技术人员已知的，在此不做具体的限定。
请参阅图1和图2，一种基于铁电材料衬底远程外延生长氮化物单晶薄膜的方法，通过在铁电材料衬底上形成二维材料并进行远程外延生长，以制备高质量、取向极性一致的氮化物单晶薄膜，具体步骤如下：
S1：选择铁电材料(LiNbO3、BaTiO3、SrTiO3、KNbO3、PZT等)作为衬底，在铁电材料衬底表面镀上Pt电极，将铁电材料衬底的温度升温至铁电材料的居里温度点以上，例如1150℃以上，并通过所述Pt电极施加电场，以对所述铁电材料衬底进行极化处理，施加的电流密度为10～30mA/cm2，以将所述铁电材料衬底的极化强度调节至50～120μC/cm2，之后以20＝35℃/h速度将铁电材料衬底的温度降至室温并去掉Pt电极；之后在所述铁电材料衬底上转移或直接生长少层(1-3层)二维材料(石墨烯、六方氮化硼等)，需要说明是，若所述铁电材料衬底的极化强度超过该限定的范围，则不利于GaN成核；
S2：将表面形成有二维材料的铁电材料衬底放入反应腔室，将反应腔室的温度调节至1050℃，并通入H2 10min，以对二维材料的表面进行清洁；
S3：氮化物单晶薄膜的成核阶段：控制向所述反应腔室中通入的氮源(例如氨气)的流量为10～15L/min，镓源或铝源(三甲基镓TMGa或三甲基铝TMAl)的通入流量为20～30mL/min，并将反应腔室中的生长温度调节为550-750℃，以进行第一氮化物层的生长，生长时间为5～10min，在该温度下，无需额外进行二维材料的预处理，由于铁电材料在少层二维材料上会形成极化电场，二维材料上的对应位置更容易捕获带有相反电荷的补偿极化电荷的原子，因此GaN(AlN)的Ga(Al)原子或N原子会优先在二维材料上成核，进而促进GaN(AlN)的颗粒成核，最终在所述二维材料表面形成多个GaN(AlN)颗粒；
S4：氮化物单晶薄膜的成膜阶段：控制向所述反应腔室中通入的氮源(例如氨气)的流量为20～25L/min，镓源或铝源(三甲基镓TMGa或三甲基铝TMAl)的通入流量为35～45mL/min，并将反应腔室中的生长温度调节为1000～1100℃，以进行第二氮化物层的生长，生长时间为120～180min；由于位于二维材料上的Ga(Al)和N原子迁移势垒小，有利于GaN(AlN)的侧向或横向扩径外延生长，而使多个GaN(AlN)颗粒与第二氮化物层合并而加速成膜。
如下将结合具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
实施例1
一种基于LiNbO3衬底远程外延生长氮化镓单晶薄膜的方法，具体包括如下步骤：
S1：在LiNbO3衬底表面镀上Pt电极，将LiNbO3衬底的温度升温至1150℃以上，并通过所述Pt电极施加电场，施加在LiNbO3衬底上的电流密度为10mA/cm2，以对所述LiNbO3衬底进行极化处理，从而将所述LiNbO3衬底的极化强度调节至50μC/cm2，之后以35℃/h速度将LiNbO3衬底的温度降至室温并去掉Pt电极；之后在所述LiNbO3衬底上转移或直接生长3层石墨烯层；
S2：将表面形成有石墨烯层的LiNbO3衬底放入反应腔室，将反应腔室的温度调节至1050℃，并通入H2 10min，以对石墨烯层的表面进行清洁；
S3：氮化镓单晶薄膜的成核阶段：控制向所述反应腔室中通入的氨气的流量为10L/min，三甲基镓TMGa的通入流量为20mL/min，并将反应腔室中的生长温度调节为550℃，以进行第一氮化镓层的生长，生长时间为5min，在该温度下，无需额外进行二维材料的预处理，由于铁电材料在少层石墨烯层上会形成极化电场，石墨烯层上的对应位置更容易捕获带有相反电荷的补偿极化电荷的原子，因此GaN的G原子或N原子会优先在石墨烯层上成核，进而促进GaN的颗粒成核，最终在所述石墨烯层表面形成多个GaN颗粒；
S4：氮化镓单晶薄膜的成膜阶段：控制向所述反应腔室中通入的氨气的流量为20L/min，三甲基镓TMGa的通入流量为35mL/min，并将反应腔室中的生长温度调节为1000℃，以进行第二氮化镓层的生长，生长时间为120min；由于位于石墨烯层上的Ga原子和N原子迁移势垒小，有利于GaN的侧向外延生长，而使多个GaN颗粒与第二氮化镓层合并而加速成膜，实施例1获得的氮化镓单晶薄膜记为薄膜A1。
实施例2
一种基于PZT衬底远程外延生长氮化镓单晶薄膜的方法，具体包括如下步骤：
S1：在PZT衬底表面镀上Pt电极，将PZT衬底的温度升温至1150℃，并通过所述Pt电极施加电场，施加在PZT衬底上的电流密度为30mA/cm2，以对所述PZT衬底进行极化处理，从而将所述PZT衬底的极化强度调节至100μC/cm2，之后以20℃/h速度将PZT衬底的温度降至室温并去掉Pt电极；之后在所述PZT衬底上转移或直接生长1层六方氮化硼层；
S2：将表面形成有六方氮化硼层的PZT衬底放入反应腔室，将反应腔室的温度调节至1050℃，并通入H2 10min，以对六方氮化硼层的表面进行清洁；
S3：氮化镓单晶薄膜的成核阶段：控制向所述反应腔室中通入的氨气的流量为15L/min，三甲基镓TMGa的通入流量为30mL/min，并将反应腔室中的生长温度调节为750℃，以进行第一氮化镓层的生长，生长时间为8min，在该温度下，无需额外进行二维材料的预处理，由于铁电材料在少层六方氮化硼层上会形成极化电场，六方氮化硼层上的对应位置更容易捕获带有相反电荷的补偿极化电荷的原子，因此GaN的G原子或N原子会优先在六方氮化硼层上成核，进而促进GaN的颗粒成核，最终在所述六方氮化硼层表面形成多个GaN颗粒；
S4：氮化镓单晶薄膜的成膜阶段：控制向所述反应腔室中通入的氨气的流量为25L/min，三甲基镓TMGa的通入流量为45mL/min，并将反应腔室中的生长温度调节为1100℃，以进行第二氮化镓层的生长，生长时间为150min；由于位于六方氮化硼层上的Ga原子和N原子迁移势垒小，有利于GaN的侧向外延生长，而使多个GaN颗粒与第二氮化镓层合并而加速成膜，实施例2获得的氮化镓单晶薄膜记为薄膜A2。
对比例1
对比例1中的一种基于LiNbO3衬底远程外延生长氮化镓单晶薄膜的方法与实施例1中的方法基本一致，不同之处在于：对比例1的步骤S1为：直接在市购的LiNbO3衬底(购自南京倍格电子科技有限公司)上转移或直接生长3层石墨烯层，对比例1获得的氮化镓单晶薄膜记为薄膜A3。
对比例2
对比例2中的一种基于LiNbO3衬底远程外延生长氮化镓单晶薄膜的方法与实施例1中的方法基本一致，不同之处在于：对比例2的步骤S1为：
在LiNbO3衬底表面镀上Pt电极，将LiNbO3衬底的温度升温至1150℃，并通过所述Pt电极施加电场，施加在LiNbO3衬底上的电流密度为10mA/cm2，以对所述LiNbO3衬底进行极化处理，从而将所述LiNbO3衬底的极化强度调节至18μC/cm2，之后以35℃/h速度将LiNbO3衬底的温度降至室温并去掉Pt电极；之后在所述LiNbO3衬底上转移或直接生长3层石墨烯层；对比例2获得的氮化镓单晶薄膜记为薄膜A4。
实施例3
一种基于KNbO3衬底远程外延生长氮化铝单晶薄膜的方法，具体包括如下步骤：
S1：在KNbO3衬底表面镀上Pt电极，将KNbO3衬底的温度升温至1150℃，并通过所述Pt电极施加电场，施加在KNbO3衬底上的电流密度为20mA/cm2，以对所述KNbO3衬底进行极化处理，从而将所述KNbO3衬底的极化强度调节至120μC/cm2，之后以30℃/h速度将KNbO3衬底的温度降至室温并去掉Pt电极；之后在所述KNbO3衬底上转移或直接生长2层石墨烯层；
S2：将表面形成有石墨烯层的KNbO3衬底放入反应腔室，将反应腔室的温度调节至1050℃，并通入H2 10min，以对石墨烯层的表面进行清洁；
S3：氮化铝单晶薄膜的成核阶段：控制向所述反应腔室中通入的氨气的流量为12L/min，三甲基铝TMAl的通入流量为25mL/min，并将反应腔室中的生长温度调节为600℃，以进行第一氮化铝层的生长，生长时间为10min，在该温度下，无需额外进行二维材料的预处理，由于铁电材料在少层石墨烯层上会形成极化电场，石墨烯层上的对应位置更容易捕获带有相反电荷的补偿极化电荷的原子，因此AlN的Al原子或N原子会优先在石墨烯层上成核，进而促进AlN的颗粒成核，最终在所述石墨烯层表面形成多个AlN颗粒；
S4：氮化铝单晶薄膜的成膜阶段：控制向所述反应腔室中通入的氨气的流量为22L/min，三甲基铝TMAl的通入流量为40mL/min，并将反应腔室中的生长温度调节为1050℃，以进行第二氮化铝层的生长，生长时间为180min；由于位于石墨烯层上的Al原子和N原子迁移势垒小，有利于AlN的侧向外延生长，而使多个AlN颗粒与第二氮化铝层合并而加速成膜，实施例3获得的氮化铝单晶薄膜记为薄膜B1。
实施例4
一种基于BaTiO3衬底远程外延生长氮化铝单晶薄膜的方法，具体包括如下步骤：
S1：在BaTiO3衬底表面镀上Pt电极，将BaTiO3衬底的温度升温至1150℃，并通过所述Pt电极施加电场，施加在BaTiO3衬底上的电流密度为15mA/cm2，以对所述BaTiO3衬底进行极化处理，从而将所述BaTiO3衬底的极化强度调节至50μC/cm2，之后以25℃/h速度将BaTiO3衬底的温度降至室温并去掉Pt电极；之后在所述BaTiO3衬底上转移或直接生长3层六方氮化硼层；
S2：将表面形成有六方氮化硼层的BaTiO3衬底放入反应腔室，将反应腔室的温度调节至1050℃，并通入H2 10min，以对六方氮化硼层的表面进行清洁；
S3：氮化铝单晶薄膜的成核阶段：控制向所述反应腔室中通入的氨气的流量为15L/min，三甲基铝TMAl的通入流量为30mL/min，并将反应腔室中的生长温度调节为700℃，以进行第一氮化铝层的生长，生长时间为10min，在该温度下，无需额外进行二维材料的预处理，由于铁电材料在少层六方氮化硼层上会形成极化电场，六方氮化硼层上的对应位置更容易捕获带有相反电荷的补偿极化电荷的原子，因此AlN的Al原子或N原子会优先在六方氮化硼层上成核，进而促进AlN的颗粒成核，最终在所述六方氮化硼层表面形成多个AlN颗粒；
S4：氮化铝单晶薄膜的成膜阶段：控制向所述反应腔室中通入的氨气的流量为20L/min，三甲基铝TMAl的通入流量为40mL/min，并将反应腔室中的生长温度调节为1020℃，以进行第二氮化铝层的生长，生长时间为170min；由于位于六方氮化硼层上的Al原子和N原子迁移势垒小，有利于AlN的侧向外延生长，而使多个AlN颗粒与第二氮化铝层合并而加速成膜，实施例4获得的氮化铝单晶薄膜记为薄膜B2。
对比例3
对比例3中的一种基于KNbO3衬底远程外延生长氮化铝单晶薄膜的方法与实施例3中的方法基本一致，不同之处在于：对比例3的步骤S1为：
S1：在KNbO3衬底表面镀上Pt电极，将KNbO3衬底的温度升温至1150℃，并通过所述Pt电极施加电场，施加在KNbO3衬底上的电流密度为30mA/cm2，以对所述KNbO3衬底进行极化处理，从而将所述KNbO3衬底的极化强度调节至110μC/cm2，之后以35℃/h速度将KNbO3衬底的温度降至室温并去掉Pt电极；之后在所述KNbO3衬底上转移或直接生长2层石墨烯层；对比例3获得的氮化铝单晶薄膜记为薄膜B3。
通过对是实施例1-4中获得的氮化镓单晶薄膜进行测试发现，极化强度调节参数越大，氮化镓和氮化铝薄膜的单晶质量越好，晶界数量少，大范围的取向一致性更好。而对比例1-3中获得的氮化镓单晶薄膜，均表现出薄膜晶界数量较多，单晶质量相对较差，且出现大量随机取向的问题。
本发明实施例提供的一种基于铁电材料衬底远程外延生长氮化物单晶薄膜的方法，基由铁电材料(含氧元素)表面不易被氧化，使得二维材料和铁电材料衬底之间的界面洁净度更高，因此，铁电材料衬底的静电势不会被减弱；并且，本发明实施例还通过加电压调节铁电材料衬底至合适的极化强度，通过加电压调节铁电材料衬底的极化强度远大于极性二维材料的弱电势场，从而使铁电材料衬底的静电相互作用力可穿透更多层的二维材料，进而可以获得高质量的氮化物单晶薄膜。
本发明实施例提供的一种基于铁电材料衬底远程外延生长氮化物单晶薄膜的方法，通过加电调节铁电材料衬底的极化强度的，从而可调制的氮化物/二维材料/铁电材料的异质结构。
本发明实施例提供的一种基于铁电材料衬底远程外延生长氮化物单晶薄膜的方法，通过调节衬底的极化强度，有效的改善了氮化物外延层的单晶程度，从而获得高质量、极性一致的氮化物薄膜；以及，本发明实施例提供的一种基于铁电材料衬底远程外延生长氮化物单晶薄膜的方法，所采用的二维材料有助于进一步缓解氮化物外延层和铁电材料衬底间的晶格失配，有效的降低应力和位错；此外，本发明实施例提供的一种基于铁电材料衬底远程外延生长氮化物单晶薄膜的方法，氮化物外延层可通过机械剥离的方式轻松剥落，在灵活转移的异质集成和柔性光电器件领域有广泛的应用。
本发明实施例提供的一种基于铁电材料衬底远程外延生长氮化物单晶薄膜的方法，以铁电材料作为生长氮化物薄膜的衬底，由于绝大部分铁电材料(含氧元素)不易被氧化，因此铁电材料衬底透过二维材料的静电相互作用不会被弱化，通过调节衬底自身的极化强度可以控制穿过二维材料的静电力相互作用的强弱，从而可以穿过更多的二维材料，进而实现氮化物单晶薄膜的远程外延；以及，本发明实施例提供的一种基于铁电材料衬底远程外延生长氮化物单晶薄膜的方法，通过调节衬底的极化强度可以使衬底的电势场大大超过极性二维材料的弱电势场，使衬底的电势场在远程外延中发挥主要作用，进而生长获得高质量的氮化物单晶薄膜。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种基于铁电材料衬底远程外延生长氮化物单晶薄膜的方法，其特征在于包括：
将铁电材料衬底的温度调节至铁电材料的居里温度点以上，并对所述铁电材料衬底施加电场进行极化处理，以将所述铁电材料衬底的极化强度调节至50~120 μC/cm2，之后使所述铁电材料衬底冷却；
在铁电材料衬底表面覆设二维材料，所述二维材料为少层二维材料；
在所述二维材料表面外延生长氮化物外延层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：对所述铁电材料衬底进行极化处理时，施加在所述铁电材料衬底上的电流密度为10~30mA/cm2。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于包括：在完成所述的极化处理后，以20-35℃/h的降温速度使所述铁电材料衬底冷却至室温。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述铁电材料衬底的材质包括LiNbO3、BaTiO3、SrTiO3、KNbO3、PZT中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：先于1050℃以上的温度条件下，以氢气对所述二维材料表面进行清洁处理，之后在所述二维材料表面外延生长氮化物外延层。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于包括：直接在所述衬底表面生长形成所述二维材料；或者，将预先制备的所述二维材料转移到所述衬底表面。
7.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于：所述二维材料的材质包括石墨烯或六方氮化硼。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于包括：先于550~750℃条件下进行第一氮化物层的生长，以在所述二维材料表面生长形成多个氮化物单晶颗粒；再于1000~1100℃条件下进行第二氮化物层的生长，以使多个所述氮化物单晶颗粒横向扩径生长并相互合并直至形成所述氮化物外延层。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于包括：在进行所述第一氮化物层的生长时，控制氮源的通入流量为10~15L/min，金属源的通入流量为20~30L/min。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于包括：所述第一氮化物层的生长时间为5~10min。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于包括：在进行所述第二氮化物层的生长时，控制氮源的通入流量为20~25L/min，金属源的通入流量为35~45L/min。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于包括：所述第二氮化物层的生长时间为120~180min。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：将所述氮化物外延层与所述二维材料分离。
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