[发明专利]基于p型掺杂的六方氮化硼外延薄膜制备方法

说明书

本发明公开了一种基于p型掺杂的六方氮化硼薄膜制备方法，主要解决现有技术制备六方氮化硼薄膜掺杂浓度不可控，及质量低下的问题。其方案是：对衬底进行清洗及退火的预处理，并放入反应室；将CVD中氨硼烷前驱体加热至130‑150℃分解，通过氩气氢气引入反应腔，升高温度至1200‑1550℃，在衬底上外延六方氮化硼薄膜；将每2片六方氮化硼薄膜的正面相对贴合后，在900‑1800℃高温下退火，并急速冷却后剥离；对每片六方氮化硼薄膜进行热靶Mg离子注入，并重新正面相对贴合进行退火后，再上下剥离，完成整个制备过程。本发明绿色环保无毒，掺杂浓度可控，薄膜质量高，可用于深紫外发光二极管，日盲区深紫外探测器的制备。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别是一种六方氮化硼外延薄膜制备方法，可用于深紫外发光二极管，日盲区深紫外探测器的制备。

背景技术

六方氮化硼六方氮化硼具有非凡的物理性质，例如超高的化学稳定性，6eV的超宽带隙以及很强的负电子亲和力。由于其独特的层状结构与石墨烯面内晶格匹配，低维六方氮化硼有望成为现在广泛应用的石墨烯电子器件的模板。因此，具有高晶体质量和高电导率的晶圆级六方氮化硼拥有广泛的潜在市场。但是由于传统CVD生长方式的限制，很难实现高质量六方氮化硼薄膜的生长及掺杂。

同时，六方氮化硼因为其接近6eV的超宽禁带，六方氮化硼在深紫外器件当中的应用也有了深入的研究。通过原位Mg掺杂可以实现六方氮化硼薄膜中极低的p型电阻率。相比较于禁带宽度相近的掺Mg纤锌矿AlN电阻率可以显著降低6-7个数量级。但是常规的金属有机化学气相沉积MOCVD实现六方氮化硼生长过程中的硼源为乙硼烷，是一种剧毒物质，其在保存、运输、应用中均具有较大危险性。

在使用MOCVD生长六方氮化硼通过Mg原位掺杂实现p型六方氮化硼过程中，外延原位生长掺杂方法虽然有效，但是掺杂浓度不易控制。除此之外低温化学气相沉积CVD生长出来的六方氮化硼，虽然可以制备单层或者多层六方氮化硼薄膜，但是低温CVD方法无法实现六方氮化硼的高效p型掺杂，限制了六方氮化硼基深紫外器件在深紫外照明和日盲区探测领域的发展。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于p型掺杂的六方氮化硼外延薄膜制备方法，以避免制备过程中的乙硼烷环境污染，有效控制掺杂浓度。

本发明的技术关键是：通过物理方法实现六方氮化硼六方氮化硼的p型掺杂，为最终实现六方氮化硼在深紫外器件中的应用奠定基础，实现步骤包括如下：

(1)外延生长h-BN薄膜：

1a)对衬底依次通过丙酮、去离子水、稀盐酸清洗；

1b)将清洗后的衬底放入CVD设备的石英管中心，加热至800-1000℃进行衬底退火处理；

1c)将CVD设备中的氨硼烷前驱体加热至130-150℃，在10sccm氩气和10sccm氢气的混合载气作用下，将加热完成后的前驱体引入CVD设备石英管中，再将其温度升高至1200-1550℃，在退火完成的衬底上进行六方氮化硼生长；

1d)将在同样生长环境下得到的每2片六方氮化硼外延片面对面重叠，放入高温退火炉中在900-1800℃，氮气氛围下进行2.5-3.5h退火处理，并在0.5-1h内急速降温至室温，得到多组晶体取向高度一致的六方氮化硼薄膜；

(2)对六方氮化硼薄膜进行p型掺杂：

2a)将每组2片的h-BN薄膜分开，正面朝上置于离子注入装置中，并将反应腔真空度降低至1×10^-5Torr；

2b)将六方氮化硼薄膜样品加热至340-550℃，设Mg离子注入能量为30-80keV，注射剂量保持5×10¹⁷，将注射方向与样品法线方向稳定在8-10°的夹角，完成对多组六方氮化硼薄膜样品的热靶离子注入；