[发明专利]基于离子束溅射沉积的六方氮化硼厚膜及制备方法和应用

说明书

本发明涉及薄膜材料和半导体材料领域，提供了一种基于离子束溅射沉积的六方氮化硼厚膜及制备方法和应用。本发明采用双离子束溅射沉积结合离子束清洗的方法，在衬底表面制备大面积的高质量六方氮化硼厚膜，克服了化学气相沉积方法制备六方氮化硼膜时通常使用有毒、易燃前驱体，解决了以往制备六方氮化硼厚膜时应力过大导致厚膜顶端开裂以及对衬底的附着力不好的问题，不使用催化金属\合金等衬底过渡层和氮化物缓冲层，通过控制离子束溅射沉积的参数，制备的六方氮化硼厚膜的稳定性明显提高、结构更为有序、杂质含量极少、绝缘性良好、膜厚可达1μm。本发明制备的六方氮化硼厚膜可应用于电子和光电子器件中的绝缘层、保护层、介质层和散热层等。

技术领域

本发明涉及薄膜材料和半导体材料领域，具体涉及一种基于离子束溅射沉积的六方氮化硼厚膜及制备方法和应用。

背景技术

氮化硼作为极端电子学材料，是对GaN和SiC等传统宽禁带半导体材料的完善和补充。六方氮化硼(h-BN)是氮化硼家族的重要成员之一，具有与石墨烯类似的层状结构单元，具有超宽的带隙(6.0eV)、优异的化学与热稳定性、高热导率、高击穿场强、高饱和漂移速度、低介电常数等诸多特性，在超高压电力电子器件、射频电子发射器、深紫外光电探测器、量子通信和极端环境应用等领域有巨大的应用前景。

高质量六方氮化硼膜的制备是氮化硼材料获得大规模应用的基础。目前制备高质量六方氮化硼膜的方法包括化学气相沉积和物理气相沉积，大多需要催化金属或是合金作为衬底过渡层(CN110167876A,CN110921637A,CN108193276A)和AlN缓冲层(Jiang,H.X.,Lin,J.Y.,Hexagonal boron nitride for deep ultraviolet photonicdevices.Semiconductor Science and Technology.2014,8,829；Zhang,X.W.,Gao,M.L.,Meng,J.H.Research progress of direct growth of two-dimensional hexagonalboron nitride on dielectric substrates.Journal of Inorganic Materials.2019,34,1245-1256.)，后续的样品表征和器件制作需要样品转移到目标衬底上去，限制了氮化硼材料的进一步应用，同时单晶金属的价格较高且尺寸有限，也会给未来大规模生产和应用带来成本问题。近年，随着石墨烯等二维材料的兴起，六方氮化硼薄膜的制备，如二维原子晶体(通常一个或几个单原子层)，也取得了许多重要的进展(CN110629184A,CN110055589A,CN104313684A)。但有效控制六方氮化硼膜的厚度和均匀性仍然具备一定的挑战(CN111155065A,CN111139526A,CN107641789B)。此外，随着膜厚的增加，制备过程中应力的不断聚集会导致膜开裂、膜厚有限，造成材料对衬底的附着力不佳，材料质量不佳，会造成器件性能较差，甚至失效等问题。针对六方氮化硼材料的发展受限于材料质量这一实际情况，因此对六方氮化硼膜的制备进行改良，有效控制六方氮化硼膜的厚度，是提升材料质量的有效手段。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种基于离子束溅射沉积的六方氮化硼厚膜及制备方法和应用。本发明提供的基于离子束溅射沉积的六方氮化硼厚膜稳定性高、杂质含量极少、绝缘性良好、膜厚可控，用于电子和光电子器件中的绝缘层、保护层、介质层和散热层。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

所述双离子束溅射沉积设备可以商用或是自行搭建。

一种基于离子束溅射沉积的六方氮化硼厚膜及制备方法和应用，其特征在于，所述方法将双离子束溅射沉积和离子束刻蚀清洗结合，包括：

(1)提供衬底；

(2)利用辅助离子源产生氩离子束对衬底表面进行离子束刻蚀清洗，获得原子级的清洁表面；