[发明专利]利用过渡金属或合金作为缓冲层提高六方氮化硼结晶质量的方法

说明书

一种利用过渡金属或合金作为缓冲层提高六方氮化硼结晶质量的方法，属于半导体材料外延生长技术领域。本发明是在生长六方氮化硼外延薄膜前，以磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积或热蒸发薄膜制备技术预先在硅、蓝宝石或其他晶格失配较大衬底上沉积过渡金属或合金作为缓冲层，再将带有缓冲层的衬底上采用化学气相沉积、磁控溅射或脉冲激光沉积技术外延生长六方氮化硼薄膜；缓冲层在外延生长六方氮化硼薄膜前做退火处理以进一步提高缓冲层的质量，从而达到进一步提高hBN薄膜结晶质量的目的。缓冲层材料为Cu、Cr、Mo、Ni、W、Mn、Co等过渡金属或其组合形成的过渡金属合金材料。

技术领域

本发明属于半导体材料外延生长技术领域，具体涉及一种利用过渡金属或合金作为缓冲层提高六方氮化硼结晶质量的方法。

背景技术

六方氮化硼(hexagonal boron nitride，hBN)是一种Ⅲ-V族的宽禁带半导体材料，其带隙宽度约为6eV。因其具有许多优异的物理和化学性能，如耐高温、低膨胀系数、极高的介电强度、高导热性和高化学稳定性，在深紫外光电子和高功率电子器件中具有潜在的应用。由于hBN衬底材料的短缺，大部分hBN薄膜材料都是在异质衬底上通过异质外延的方法而制备的，这些异质衬底主要包括硅、蓝宝石和过渡金属箔片。硅和蓝宝石材料是半导体行业中制作MOS和LED等器件常用的衬底材料，在硅和蓝宝石衬底上异质外延hBN薄膜可以实现不同功能电子器件和光电器件的混合集成。但由于硅和蓝宝石与hBN晶格间存在着较大的晶格失配率，采用这两种材料作为衬底材料外延生长的hBN薄膜中存在着较大的应力，会引起hBN质量的下降。过渡金属(如Cu、Ni、Cr、Ru和Pt等)一般晶格常数较小，其与hBN晶格失配率一般较小，使用过渡金属箔片作为衬底材料时，由于过渡金属箔片厚度极薄，无法保证其表面平整度，因此在箔片上生长的hBN薄膜均会存在一定的弯曲、褶皱、断裂等，由于其内部的应力或裂纹，导致其结晶质量下降，很难实现大面积、高质量hBN薄膜生长，同时也会影响基于hBN薄膜的器件性能。

发明内容

为了提高异质外延hBN薄膜的结晶质量，降低hBN外延薄膜内部应力，提高薄膜平整度，本发明提供一种利用过渡金属或合金作为缓冲层提高六方氮化硼结晶质量的方法。该方法不仅可以提高hBN在大晶格失配衬底上的结晶度，而且可以降低外延薄膜的内部应力，提高hBN薄膜的平整度。此方法也可以扩展应用到其他Ⅲ-V族半导体材料的外延生长过程中。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在生长六方氮化硼外延薄膜前，以磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积或热蒸发薄膜制备技术预先在硅、蓝宝石或其他晶格失配较大衬底上沉积过渡金属或合金作为缓冲层，再将带有缓冲层的衬底上采用化学气相沉积、磁控溅射或脉冲激光沉积技术外延生长六方氮化硼薄膜；缓冲层在外延生长六方氮化硼薄膜前做退火处理以进一步提高缓冲层的质量，从而达到进一步提高hBN薄膜结晶质量的目的。缓冲层材料为Cu、Cr、Mo、Ni、W、Mn、Co等过渡金属或其组合形成的过渡金属合金材料。

以射频磁控溅射工艺在大晶格失配衬底(以硅或蓝宝石为例)上，制备过渡金属缓冲层，外延生长hBN薄膜(以低压化学气相沉积(LPCVD)技术为例)的步骤如下：

(1)在1×10^-3Pa真空度以下，以60～200W的溅射功率在600～800℃的硅或蓝宝石衬底上溅射过渡金属或合金缓冲层，缓冲层的厚度为200～2000nm(当缓冲层为过渡金属合金时，可按照过渡金属的质量比制作混合靶，然后进行溅射)，溅射完成后冷却衬底至室温；

(2)将步骤(1)得到的溅射过渡金属或合金缓冲层的硅或蓝宝石衬底放入退火炉中，在500～900℃条件下退火10～30分钟，使过渡金属Cr缓冲层质量进一步提高，退火结束后冷却到室温；