[发明专利]一种高质量晶圆级硒氧化铋半导体单晶薄膜的批量化制备方法

说明书

本发明公开了一种高质量晶圆级硒氧化铋半导体单晶薄膜的批量化制备方法。该方法包括：以含有Bi元素和Se元素的化合物为原料，以单晶晶圆为生长基底，进行化学气相沉积，得到所述Bi₂O₂Se薄膜。本发明利用外延面对称性一致的共格外延方式生长取向一致的单晶Bi₂O₂Se，通过延长生长时间，制备得到了由取向一致的单晶Bi₂O₂Se晶粒拼接而成的连续单晶薄膜。该方法工艺流程简单，操作容易，成本低，薄膜尺寸大，并可有望应用于晶圆级Bi₂O₂Se单晶薄膜的批量化生产；为Bi₂O₂Se半导体薄膜在光电探测器或场效应晶体管等领域的应用奠定了基础。

技术领域

本发明属于半导体材料领域，涉及一种高质量晶圆级硒氧化铋半导体单晶薄膜的批量化制备方法。

背景技术

硒氧化铋(Bi₂O₂Se)是一种传统的热电材料，属于四方晶系由(Bi₂O₂)_n层和Se_n交替连接构成而具有二维层状晶体结构。Bi₂O₂Se由于独特的晶体和能带结构，使其具有优异的电学、光学、光电性能和环境稳定性。作为一种超高迁移率的二维半导体层状材料，Bi₂O₂Se室温下其场效应电子迁移率高达2200cm²V^-1S^-1,开关比高达10⁶，亚阈值摆幅低至65mV/dec，可能应用于高性能逻辑器件、光电等领域，并可能制备全新的二维柔性电子器件和光电器件。

目前，Bi₂O₂Se材料主要是通过溶液法或高温气质输运方法得到，且所得产物为纳米晶或者块体，其晶体质量较差，难以满足电子和光电子领域的需求。吴金雄等采用化学气相沉积(CVD)合成方法在云母基底制备了Bi₂O₂Se二维单晶，且电学输运研究表明CVD合成单晶具有较高迁移率，低温霍尔迁移率可高于20000cm²V^-1s^-1。诚然，基于云母基底利用CVD方法合成Bi₂O₂Se二维单晶具有简单易行，能够得到高质量晶体且可实现大面积生长等优点；然而，由于Bi₂O₂Se和云母晶体的对称性关系，导致制备出的Bi₂O₂Se在云母基底上表现出0⁰、30⁰和60⁰等能量取向，进而诱使云母基底上的Bi₂O₂Se薄膜晶界多，质量差，难以满足实际应用需求。故而，大面积连续高质量的单晶薄膜材料的可控合成是二维半导体Bi₂O₂Se材料实现规模化应用的关键和难点。然而，迄今为止，高质量的晶圆级Bi₂O₂Se单晶薄膜的合成尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种高质量晶圆级硒氧化铋半导体单晶薄膜的批量化制备方法。

本发明提供的Bi₂O₂Se薄膜，所述Bi₂O₂Se薄膜由Bi₂O₂Se单晶晶粒拼接而成。

上述Bi₂O₂Se薄膜中，所述Bi₂O₂Se单晶晶粒的取向一致；