[发明专利]一种晶圆级、高质量的氮化硼/石墨烯异质结薄膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种晶圆级、高质量的氮化硼/石墨烯异质结薄膜的制备方法；它的制备方法为：步骤一：通过表面催化生长方法，在金属表面制备出连续的六方氮化硼薄膜；步骤二：通过等离子体刻蚀技术，将金属箔片一侧表面处的六方氮化硼薄膜除去；步骤三：将该金属箔片折叠为袋状进行密封；步骤四：将该金属袋置于管式炉中，升高到一定温度并通入高浓度含碳气体，实现碳原子由外表面向内表面的扩散，并在降温过程中析出，在金属与六方氮化硼界面处生成石墨烯；步骤五：将该金属袋剪开并水平铺开，转移至目标衬底表面，即可得到六方氮化硼/石墨烯垂直异质结薄膜。本发明的制备工艺适用性高，工艺参数窗口较宽；相比传统通过外延或扩散方式来制备异质结的方法，本方法有效避免原子间的掺杂现象，同时可获得晶圆级，高质量的垂直氮化硼/石墨烯异质结薄膜。

技术领域：

本发明涉及一种晶圆级、高质量的氮化硼/石墨烯异质结薄膜的制备方法，属于薄膜材料领域。

背景技术：

微电子技术是高科技与信息产业的核心技术，我们可以称之为信息化武器装备的精灵。随着科技的不断进步，从家用电器、移动通讯、计算机、卫星导航、深海探测等领域，到当今社会炙手可热的无人驾驶，智能制造、量子通讯等都依赖于微电子器件的发展。近年来迅速发展的二维电子材料，展示了一系列新的物理现象和独特的电子输运特性，为实现新型高性能电子器件提供了一条崭新途径。其中，石墨烯就是一种极具潜力的微纳电子器件材料。

以石墨烯为代表的二维材料在器件领域应用中所面临的最大挑战之一就是其与介电材料的界面问题。石墨烯比表面积较大，在制备、转移、器件加工等各个工艺阶段都容易引入表面态和载流子陷阱中心，极大地降低了石墨烯的器件性能。六方氮化硼具有较高的介电强度，原子级别的平整度，优良的导热能力。对于石墨烯来说，其可以作为一种理想的介电材料。高质量、大面积六方氮化硼/石墨烯垂直异质结结构的控制生长是目前迫切需要研究的关键科学问题。

然而，目前直接制备界面清洁、无掺杂、高质量的六方氮化硼/石墨烯异质结的方法还存在一定的问题。比如1)通过微机械剥离及显微转移的手段来构筑垂直异质结的方法，过程随机性高，重复性差，且异质结样品尺寸十分受限；2)通过CVD外延法在六方氮化硼表面直接生长石墨烯，所得到的异质结中石墨烯在大面积范围内的均匀性以及连续性较差，并且较高的外延生长温度会导致异质结样品中出现不利的层间刻蚀以及掺杂现象。3)通过预溶解+偏析的方法，将碳原子预先溶解在金属内部，在降温过程中生成石墨烯/氮化硼异质结。专利CN201610895790.3“一种制备石墨烯与六角氮化硼复合薄膜材料的方法”描述了一种一步生长的方法。在预先溶解了一定浓度的碳原子的金属基底表面通过化学气相沉积的方法制备h-BN，然后在降温过程中控制碳在金属基底中的溶解与析出，在h-BN和金属基底之间生长石墨烯得到h-BN/石墨烯/金属基底。专利CN201610652002.8中“一种基于石墨烯的二维层状异质结的制备方法”中，同样采用气态碳源预溶解至金属基底中。北京大学的彭海琳教授等人采用共偏析的方法，预先将碳原子以及B、N原子溶解进入金属Ni内部并形成三明治结构，退火过程中所溶解的原子逐渐析出，并形成h-BN/石墨烯异质结结构。(C.H.Zhang等，“Direct growth of large-area graphene and boron nitrideheterostructures by a co-segregation method”.Nature Communications,2015,6:6519)。上述专利以及文献中所采用的预溶解+偏析的方法，金属中预先溶解的碳原子容易在生长氮化硼薄膜的过程中进入氮化硼层间内，产生原子掺杂。

发明内容：

针对以上问题，本发明采取了一种有效的方式实现了大面积，高质量，高均一度的石墨烯/六方氮化硼垂直异质结薄膜的制备。

本发明涉及的一种晶圆级、高质量的氮化硼/石墨烯异质结薄膜的制备方法，它的制备方法为：

步骤一：通过表面催化生长方法，在金属表面制备出连续的六方氮化硼薄膜；