[发明专利]一种蓝宝石衬底上大面积六方氮化硼异质外延膜及其制备方法

说明书

本发明属于半导体材料科学技术领域，具体涉及一种蓝宝石衬底上大面积六方氮化硼异质外延膜及其制备方法。该技术方案提出一种蓝宝石衬底上直接生长的大面积六方氮化硼外延膜，所述的制备方法采用离子束辅助溅射方法，在生长过程中主辅离子源分别给予高能量的离子溅射，使高能B/N原子跨越其与衬底表面的优势取向能量势垒，与衬底表面形成共价结合，诱导六方氮化硼六角网格平面沿着纵向垂直于衬底表面进行外延，从而获得大面积垂直取向的六方氮化硼外延膜。相比于常见的范德华外延生长方式，本发明外延方式可以有效释放应力，使得六方氮化硼膜与衬底表面的结合力更强，稳固性更好，适宜做光电子器件和电子器件的模板、过渡层、散热层等。

技术领域

本发明涉及半导体材料科学技术领域，具体涉及一种蓝宝石衬底上大面积六方氮化硼异质外延膜及其制备方法。

背景技术

过去几十年见证了Ⅲ族氮化物半导体的兴起，其为现代光电子和电子器件设备的发展奠定了基础。作为Ⅲ族氮化物半导体家族典型的一员，六方氮化硼(h-BN)由于其独特的原子结构赋予的超宽禁带的电子学特性，使其在各种器件方案中作为衬底、模板或缓冲层、封装层、隧道势垒或介电层的多种功能，在光电子和电子器件领域受到了广泛的关注和重视。目前，相对于已广泛研究并实现的大面积二维单层或少层h-BN原子晶体[Nature,579,219-223(2020)][Nature,570,91-95(2019)][Nano Lett.16,3360-3366(2016)][Nature,606,88-93(2022)]，大面积h-BN膜的外延生长还存在一定的挑战。

由于缺少大尺寸同质单晶，现有的制备方法中通常利用化学气相沉积(CVD)和离子束溅射等方法在蓝宝石衬底上外延生长h-BN膜。由于能量优势取向作用，外延膜通常沿着c轴生长，所生长的二维六角网格平面层通常与衬底表面平行。但是异质外延过程中蓝宝石与h-BN由于晶格失配和热失配会在所生长的膜内产生应力(包括热应力)的累积，由于面内强共价键的作用，使得应力难以得到有效的释放。随着生长过程薄膜的持续增厚，超过临界厚度时，应力弛豫则会造成薄膜开裂，甚至脱落的行为，这极大的影响了薄膜的质量。为此，研究者们通过在蓝宝石衬底上首先以较低的温度(800℃)沉积一层一定厚度的无定形氮化硼(a-BN)或沉积一层AlN外延层作为缓冲来避免h-BN与蓝宝石衬底之间由于位错而产生的应力[Appl.Phys.Lett.100,061121(2012)][Appl.Phys.Lett.98,211110(2011)]，但过渡层的沉积一定程度上增加了生长过程的复杂性。如果h-BN的六角网格平面垂直于衬底表面进行异质外延，通过外延膜沿衬底水平方向层与层之间较弱的范德华相互作用，使产生于水平方向的应力能够得到有效的释放，从而使得外延膜的生长更为有序、稳定。除此之外，六角网格垂直排列的h-BN外延层通过强有力的共价键与衬底之间进行键合，相对于六角网格平行生长时与衬底之间的范德华力结合更有助于提升器件结构在衬底上的结合力和稳固性。目前，此种异质外延的方式仍未见报道。

综上所述，为满足当前光电子器件和电子器件的发展需求，发展一种在蓝宝石衬底上可控制备大面积垂直取向的六方氮化硼异质外延膜的方法是目前亟待解决的关键性技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种蓝宝石衬底上大面积六方氮化硼异质外延膜及其制备方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种蓝宝石衬底上大面积六方氮化硼异质外延膜，该外延膜表现为六方氮化硼六角网格平面层垂直于衬底进行排列，外延关系为:h-BN(-1100)[11-20]//Al₂O₃(0001)[11-20]，薄膜与衬底之间的应力低，薄膜具有超宽的禁带宽度，光学透过率高，具有高的表面平整度，横向直径为两英寸，厚度可随沉积时间增加。

本发明提供了上述蓝宝石衬底上大面积六方氮化硼异质外延薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)准备蓝宝石衬底；