[发明专利]一种以磁控溅射Cu薄膜为缓冲层的二维hBN薄膜及其制备方法

说明书

一种以磁控溅射Cu薄膜为缓冲层的二维hBN薄膜及其制备方法，属于半导体材料外延生长技术领域。本发明利用磁控溅射技术在蓝宝石或石英等衬底上生长一层Cu薄膜作为缓冲层，然后再采用低压化学气相沉积技术在Cu缓冲层上外延生长二维hBN薄膜。与现在技术中使用的金属箔片相比，Cu缓冲层表面更加平整光滑，并且是Cu(111)晶面，与hBN晶格十分匹配，更适合于二维hBN薄膜的生长，Cu缓冲层的厚度可由Cu靶材的溅射工艺参数进行调节。采用本发明方法制得的二维hBN薄膜尺寸较大、质量较高，且Cu薄膜缓冲层可以作为垂直结构的hBN器件的底电极直接使用。

技术领域

本发明属于半导体材料外延生长技术领域，具体涉及一种以磁控溅射Cu薄膜为缓冲层的二维hBN薄膜及其制备方法。

背景技术

近年来，二维材料发展十分迅猛，每一种二维材料都会引起相关科研人员的密切关注。其中，六方氮化硼(hBN)由于具有强热稳定性、耐腐蚀性、高度绝缘、高导热等优良的性能受到很多科研人员的青睐，二维hBN与石墨烯的结构极其相似，因此也被称为“白色石墨”。近些年，科研人员证实二维hBN薄膜具有广泛的应用前景，可以作为半导体器件的优良基片并大大改善器件的性能、可以作为保护涂层、可以制作紫外光电器件等，因此大面积高质量二维hBN薄膜的制备成为该领域的关键内容和研究热点。目前，二维hBN薄膜的制备大多采用化学气相沉积(CVD)的方法，该方法具有成本低、可调控等优点。目前对于衬底的选择大多以过渡金属箔片为主，这是由于过渡金属往往对于hBN的生长起到某种催化作用，另外过渡金属的晶格往往与hBN十分的匹配。但是目前市面上可购买的金属箔片由于其工业生产过程导致表面十分粗糙，具有密集的轧制线，而且金属箔片表面往往呈现多晶的状态，这并不适合于大尺寸薄膜的生长。

为了获得大尺寸且质量较好的二维hBN薄膜，衬底表面的粗糙度以及表面的晶向是十分重要的先决条件，因此寻找一种理想的缓冲层成为二维hBN薄膜制备的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种以磁控溅射Cu薄膜为缓冲层的二维hBN薄膜及其制备方法。本发明方法采用磁控溅射在双面抛光的蓝宝石、石英等衬底上镀上一层表面平整光滑且趋向于单晶面的Cu薄膜作为缓冲层，然后采用低压化学气相沉积(LPCVD)技术在Cu薄膜缓冲层上生长得到二维hBN薄膜。

本发明所述的一种以磁控溅射Cu薄膜为缓冲层的二维hBN薄膜及其制备方法，其步骤如下：

(1)将双面抛光的蓝宝石(Sapphire)或石英片(Quartz)衬底依次使用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10～20分钟并烘干，然后将高纯(纯度99.9995％以上)Cu靶材和清洗后的衬底置于磁控溅射设备生长室内；Cu靶与衬底间的距离为4～8cm，Cu靶与13.56MHz的射频源(最大输出功率300W以上)相连；

(2)将磁控溅射设备生长室真空抽至1×10^-3Pa以下，将衬底加热至300～800℃；通入高纯氩气(Ar，纯度99.9995％以上)，流量为50～100sccm，保持生长室压强为3～6Pa；开启射频源，溅射功率为60～80W，使氩气电离启辉；然后将生长室压强调整为1～3Pa，溅射功率为100～200W，溅射铜靶2～3h；溅射结束待生长室冷却到室温后取出衬底，从而在衬底上得到Cu薄膜缓冲层；

(3)将步骤(2)得到的衬底依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10～20分钟并烘干，然后置于LPCVD设备的石英管沉积腔内，称取40～100mg氨硼烷放置于LPCVD设备的源加热器皿中；