[发明专利]一种Zn原位掺杂的P型六方氮化硼薄膜及其制备方法

说明书

一种Zn原位掺杂的P型六方氮化硼薄膜及其制备方法，属于半导体材料制备和半导体掺杂技术领域。其是将高纯的hBN靶、高纯Zn靶和清洗后的衬底放入磁控溅射生长室内，采用射频磁控双靶共溅射技术，在hBN薄膜生长过程中原位掺入Zn杂质，生长结束后，在N₂气氛下对薄膜进行原位退火，并在N₂气保护下冷却至室温，从而在衬底上得到Zn原位掺杂的P型hBN薄膜。本发明方法简单，成本低廉，安全可靠，无毒无害；可以通过调节Zn靶的靶距和溅射功率来控制掺杂浓度；Zn在hBN薄膜中易于占据B原子的格点位，作为替位式杂质具有较低的形成能和较小的杂质激活能，因而能够获得电阻率较低的Zn掺杂P型hBN薄膜，且性能稳定。

技术领域

本发明属于半导体材料制备和半导体掺杂技术领域，具体涉及一种Zn原位掺杂的P型六方氮化硼薄膜及其制备方法。

背景技术

六方氮化硼(hBN)是一种人工合成的宽禁带半导体材料，属于类石墨结构，是BN多种同素异构体中最稳定的一种结构。hBN的禁带宽度约为6.0eV，本征吸收限约为210nm，在吸收边附近的吸收系数高达10⁵cm^-1，有很高的热导率和介电强度，有极好的热稳定性和化学稳定性，因而在深紫外光电器件和高温、大功率电子器件领域有很好的应用前景。

为了实现hBN在器件方面的应用，制备出高质量hBN薄膜、并对hBN薄膜进行可控掺杂是必由之路。众所周知，由于存在杂质补偿效应以及杂质电离能较大等问题，对宽禁带半导体实现高效掺杂一直是技术难题。例如，目前，限制AlGaN系列III族氮化物器件发展的主要障碍是难于获得高空穴浓度的P型材料。因而，研究hBN薄膜的高效P型掺杂技术是非常有意义的。对hBN而言，常用的P型掺杂剂为Be、Mg等II族元素，主要的掺杂手段是离子注入方法。利用这种方法虽然能很好的控制掺杂深度和掺杂剂量，但缺点是容易造成晶格损伤、杂质分布不均匀、并且工艺过程复杂，造价昂贵。如果在hBN薄膜制备过程中，利用原位掺杂的方法实现对hBN薄膜的可控掺杂，则可以大大提高掺杂效率，降低掺杂成本。虽然Be和Mg等杂质在hBN中有较低的电离能，但是，Be及其化合物有剧毒，Mg是非常活泼的化学元素，容易在原位掺杂过程中发生剧烈的化合反应。

发明内容

本发明目的在于提供一种成本低廉、安全、有效的一种Zn原位掺杂的P型hBN薄膜及其制备方法。具体使用的P型掺杂剂为Zn，采用射频磁控双靶共溅射技术。

本发明所述的一种Zn原位掺杂的P型hBN薄膜的制备方法，其步骤如下：

(1)将高纯(纯度99.9％以上)的hBN靶、高纯(纯度99.999％以上)Zn靶和清洗后的衬底(硅、石英或蓝宝石)依次放入磁控溅射生长室内，hBN靶材与衬底之间距离为4～6cm，Zn靶与衬底之间的距离为4～6cm；

(2)生长室真空度抽至1×10^-4～5×10^-4Pa，衬底加热升温至400～500℃；通入高纯(纯度99.999％以上)Ar气和N₂气，N₂和Ar气的流量比为1：1，总流量为80～120sccm，控制生长室内压强为0.8～1Pa，用挡板遮挡在衬底与靶材之间；

(3)hBN靶和Zn靶分别与射频电源连接，两个射频电源的频率均为13.56MHz，最大输出功率均为600W；首先开启连接hBN靶材的射频电源，调节电压和耦合旋钮使得N₂和Ar气电离产生辉光，hBN靶材的溅射功率为300～400W；然后打开连接Zn靶的射频电源，调节电压和耦合旋钮使得Zn靶表面出现辉光，Zn靶的溅射功率为100～200W；预溅射20～30min后，打开遮挡衬底的挡板，开始在衬底上沉积Zn掺杂的hBN薄膜，沉积时间为30～180min，在衬底上得到的薄膜厚度约为100～300nm；