[發明專利]利用過渡金屬或合金作為緩沖層提高六方氮化硼結晶質量的方法

在審

• 申請號: 202010060273.0
• 申請日: 2020-01-19
• 公開（公告）號: CN111243942A
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 陳占國;欒凱然;陳曦;張文博;劉秀環;趙紀紅;侯麗新;高延軍
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;H01L21/285
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 劉世純;王恩遠

一種利用過渡金屬或合金作為緩沖層提高六方氮化硼結晶質量的方法，屬于半導體材料外延生長技術領域。本發明是在生長六方氮化硼外延薄膜前，以磁控濺射、電子束蒸發、脈沖激光沉積或熱蒸發薄膜制備技術預先在硅、藍寶石或其他晶格失配較大襯底上沉積過渡金屬或合金作為緩沖層，再將帶有緩沖層的襯底上采用化學氣相沉積、磁控濺射或脈沖激光沉積技術外延生長六方氮化硼薄膜；緩沖層在外延生長六方氮化硼薄膜前做退火處理以進一步提高緩沖層的質量，從而達到進一步提高hBN薄膜結晶質量的目的。緩沖層材料為Cu、Cr、Mo、Ni、W、Mn、Co等過渡金屬或其組合形成的過渡金屬合金材料。

技術領域

本發明屬于半導體材料外延生長技術領域，具體涉及一種利用過渡金屬或合金作為緩沖層提高六方氮化硼結晶質量的方法。

背景技術

六方氮化硼(hexagonal boron nitride，hBN)是一種Ⅲ-V族的寬禁帶半導體材料，其帶隙寬度約為6eV。因其具有許多優異的物理和化學性能，如耐高溫、低膨脹系數、極高的介電強度、高導熱性和高化學穩定性，在深紫外光電子和高功率電子器件中具有潛在的應用。由于hBN襯底材料的短缺，大部分hBN薄膜材料都是在異質襯底上通過異質外延的方法而制備的，這些異質襯底主要包括硅、藍寶石和過渡金屬箔片。硅和藍寶石材料是半導體行業中制作MOS和LED等器件常用的襯底材料，在硅和藍寶石襯底上異質外延hBN薄膜可以實現不同功能電子器件和光電器件的混合集成。但由于硅和藍寶石與hBN晶格間存在著較大的晶格失配率，采用這兩種材料作為襯底材料外延生長的hBN薄膜中存在著較大的應力，會引起hBN質量的下降。過渡金屬(如Cu、Ni、Cr、Ru和Pt等)一般晶格常數較小，其與hBN晶格失配率一般較小，使用過渡金屬箔片作為襯底材料時，由于過渡金屬箔片厚度極薄，無法保證其表面平整度，因此在箔片上生長的hBN薄膜均會存在一定的彎曲、褶皺、斷裂等，由于其內部的應力或裂紋，導致其結晶質量下降，很難實現大面積、高質量hBN薄膜生長，同時也會影響基于hBN薄膜的器件性能。

發明內容

為了提高異質外延hBN薄膜的結晶質量，降低hBN外延薄膜內部應力，提高薄膜平整度，本發明提供一種利用過渡金屬或合金作為緩沖層提高六方氮化硼結晶質量的方法。該方法不僅可以提高hBN在大晶格失配襯底上的結晶度，而且可以降低外延薄膜的內部應力，提高hBN薄膜的平整度。此方法也可以擴展應用到其他Ⅲ-V族半導體材料的外延生長過程中。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：在生長六方氮化硼外延薄膜前，以磁控濺射、電子束蒸發、脈沖激光沉積或熱蒸發薄膜制備技術預先在硅、藍寶石或其他晶格失配較大襯底上沉積過渡金屬或合金作為緩沖層，再將帶有緩沖層的襯底上采用化學氣相沉積、磁控濺射或脈沖激光沉積技術外延生長六方氮化硼薄膜；緩沖層在外延生長六方氮化硼薄膜前做退火處理以進一步提高緩沖層的質量，從而達到進一步提高hBN薄膜結晶質量的目的。緩沖層材料為Cu、Cr、Mo、Ni、W、Mn、Co等過渡金屬或其組合形成的過渡金屬合金材料。

以射頻磁控濺射工藝在大晶格失配襯底(以硅或藍寶石為例)上，制備過渡金屬緩沖層，外延生長hBN薄膜(以低壓化學氣相沉積(LPCVD)技術為例)的步驟如下：

(1)在1×10^-3Pa真空度以下，以60～200W的濺射功率在600～800℃的硅或藍寶石襯底上濺射過渡金屬或合金緩沖層，緩沖層的厚度為200～2000nm(當緩沖層為過渡金屬合金時，可按照過渡金屬的質量比制作混合靶，然后進行濺射)，濺射完成后冷卻襯底至室溫；

(2)將步驟(1)得到的濺射過渡金屬或合金緩沖層的硅或藍寶石襯底放入退火爐中，在500～900℃條件下退火10～30分鐘，使過渡金屬Cr緩沖層質量進一步提高，退火結束后冷卻到室溫；