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六方氮化硼外延生长研究进展

信息来源:本站 | 发布日期: 2023-08-03 11:14:40 | 浏览量:281419

摘要:

摘 要 二维超宽禁带半导体材料六方氮化硼(h-BN)具有绝缘性好、击穿场强高、热导率高,以及良好的稳定性等特点,且其原子级平整表面极少有悬挂键和电荷陷阱的存在,使其有潜力成为二维电子器件的衬底和栅介质材料。实现h-BN应用的关键在于生长高质量的h-BN单晶薄膜,本…

 摘  要  

二维超宽禁带半导体材料六方氮化硼(h-BN)具有绝缘性好、击穿场强高、热导率高,以及良好的稳定性等特点,且其原子级平整表面极少有悬挂键和电荷陷阱的存在,使其有潜力成为二维电子器件的衬底和栅介质材料。实现h-BN应用的关键在于生长高质量的h-BN单晶薄膜,本文详细介绍了在过渡金属衬底、绝缘介质衬底和半导体材料表面外延生长h-BN的方法及其研究进展。在具有催化活性的过渡金属衬底(铜、镍、铁、铂等)上可以外延得到高质量的二维h-BN,而在绝缘介质或半导体材料衬底上直接生长h-BN单晶薄膜更具挑战性。蓝宝石以其良好的热稳定性和化学稳定性成为外延h-BN的首选衬底,蓝宝石衬底上生长h-BN薄膜的方法主要有化学气相沉积、分子束外延、离子束溅射沉积、金属有机气相外延,以及高温后退火等,通过这些方法可以在蓝宝石衬底上外延得到h-BN单晶薄膜,还可以集成到现有的一些III-V族化合物半导体的外延生长工艺之中,为h-BN的大面积应用奠定基础。此外,石墨烯、硅和锗等半导体材料衬底上生长h-BN单晶薄膜也是当前研究的一个热点,这为基于h-BN的异质结制备及其应用提供了新的方向。

关键词:六方氮化硼;外延生长;薄膜;二维材料;宽禁带半导体

 研究  

二维材料独特的层状结构使其拥有优异的物理化学性质,大比表面积、量子霍尔效应和带隙可调等特性使得二维材料受到越来越多的关注。

相比于传统体材料,二维材料在制造更小尺寸和更高速度的场效应晶体管方面潜力巨大,对延续摩尔定律具有重要意义。对基于二维材料的场效应晶体管的有源区而言,界面的电荷散射和缺陷会显著降低器件性能。因此,表面平整且物理化学性质稳定的二维衬底和栅介质层是提高低维器件性能的关键。

六方氮化硼(h-BN)是一种类石墨烯的二维材料,层内B和N原子以sp2杂化的方式键合,层间以范德瓦耳斯键相结合,因此,h-BN具有原子级平滑、无多余悬键的表面,许多基于h-BN的二维材料场效应晶体管的响应时间和功耗等性能都表现出显著的提升。此外,h-BN是一种超宽禁带半导体,具有优异的电学和光学性能,可见光区域的高透过性和深紫外(DUV)区域的高吸收系数(~105 cm-1使h-BN在DUV光探测器和发光器件方面具有广阔的应用前景

剥离法是制备h-BN一种常用的工艺通过机械剥离或者液相剥离可以从单晶体材料中得到二维h-BN,但是剥离法获得的样品尺寸通常较小,无法实现h-BN的大面积应用。另一方面,二维材料的结晶质量对器件性能至关重要。为了更好地实现h-BN在半导体领域的应用科研工作者提出了许多方法来制备大面积高结晶质量二维h-BN单晶薄膜。

化学气相沉积(CVD)是目前技术最为成熟的外延h-BN的方法,环硼氮烷(B3N3H6)和氨硼烷(NH3-BH3是CVD法常用的前驱体,但是由于前驱体的分解速率、黏附系数和中间产物的蒸气压不同,最终得到样品中B和N元素的化学计量比会偏离1:1如果采用不同的前驱体分别提供N和B原子通过调节前驱体中N、B的比例,可以明显改善h-BN薄膜的化学计量比和结晶质量,常用的含氮前驱体为氨气(NH3)和气(N2),含硼前驱体为三甲基硼(TMB)和三乙基硼(TEB)等。由于大多数含硼前驱体有剧毒或极具可燃性,科研人员也尝试采用物理气相沉积(PVD)技术外延h-BN薄膜,通过激光、离子束等高能粒子直接与安全无毒的热压h-BN靶材相互作用,溅射出包含B和N原子的等离子体,然后沉积在衬底上形成h-BN薄膜。目前,h-BN的外延生长衬底主要包括蓝宝石介质衬底、有催化活性的过渡金属衬底(包括单晶金属以及合金)和半导体衬底,本文总结了不同衬底上外延h-BN的发展现状、生长技术和特点。

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  结语与展望  

h-BN是一种类石墨烯的二维超宽禁带半导体材料,在制造更小尺寸和更高速度的场效应晶体管方面有极大的应用潜力。制备高质量的h-BN是实现其应用的前提,本文基于外延生长h-BN的衬底类型进行分类,系统地介绍了在过渡金属衬底、蓝宝石介质衬底和半导体材料表面外延生长h-BN的各类方法及特点。在具有催化活性的过渡金属衬底上可以外延生长高质量的二维h-BN,样品的物理化学特性与通过剥离得到h-BN的性能相当。但由于衬底的催化作用会随着 h-BN厚度的增加而迅速下降,所以过渡金属衬底上外延生长的二维 h-BN存在自限效应,厚度一般不超过10层,不利于h-BN在高压大功率器件方面的应用。同时,后续h-BN的表征及应用通常需要转移到介质衬底上进行,转移过程不可避免地会在h-BN样品中引入杂质和缺陷,进而影响样品的表征及相应器件的性能。

因此,直接在绝缘介质或半导体材料衬底上生长h-BN单晶薄膜也具有十分广阔的应用前景。蓝宝石具有良好的热稳定性和化学稳定性,是外延生长h-BN的首选衬底,在蓝宝石衬底上外延生长h-BN单晶薄膜的方法主要有CVD、MOVPE、MBE、IBSD,以及高温后退火等工艺,通过这些方法可以在蓝宝石衬底上外延得到高质量的h-BN单晶薄膜,还可以集成到现有的一些III-V族化合物半导体的外延生长工艺之中,为h-BN的大面积应用奠定基础,但蓝宝石衬底的弱催化活性导致其外延生长 h-BN单晶薄膜的温度通常较高,在较低温度下实现高质量h-BN单晶薄膜的外延是未来的研究方向之一。此外, 石墨烯、Ge和Si等半导体材料衬底上生长h-BN单晶薄膜也是当前研究的一个热点,以石墨烯为例,二者晶格常数失配率仅为1.7%,石墨烯衬底上可以外延得到高质量的h-BN薄膜,为范德瓦耳斯异质结的制备及其性能研究提供了新的方向。尽管目前人们在不同衬底上外延h-BN已经取得了较大的进展,但是其详细的生长机理仍需要更多的研究,大面积h-BN的可控生长依然存在一定的困难,生长方法有待进一步优化。


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