[发明专利]一种厘米尺寸六方氮化硼单晶的生长方法

说明书

本发明是一种厘米尺寸六方氮化硼单晶的生长方法，所述制备方法具体过程如下：在氮气流中，将一定配比的三元合金放在六方氮化硼粉末上，先高温加热使合金熔融，保持一段时间，后以极低速度降温，在保持高温与缓慢降温的过程中，晶体会在金属合金表面生长，最终生长出大面积高质量的六方氮化硼单晶。目前阻碍二维材料六方氮化硼研究的主要问题就是高质量高产量的体单晶难以制备，成本高，而该方法结构简单，其关键工艺为合金成分以及比例，本方法使用的合金成分主要为铁、镍、铬三种，稳定配比情况下，生长效果显著，成本较低，对于推进六方氮化硼的广泛应用具有很大积极意义，同时对其他半导体材料或二维材料的研究与发展也有一定的启发。

技术领域

本发明属于单晶材料制备技术领域，具体涉及一种大尺寸六方氮化硼单晶的生长方法。

背景技术

随着集成电路与半导体领域研究的不断发展，晶体管尺寸逐渐减小，这也意味着摩尔定律实现的速度逐渐放缓，接近极限。而超薄二维材料为扩展摩尔定律提供了可能，具有很大的潜力。二维半导体材料是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度上自由运动的材料，也可以理解为电子在平面运动的材料。在半导体器件研究过程中，其中一个关键问题在于如何避免器件中相邻的电介质之间形成电荷散射和陷阱位点。而六方氮化硼作为二维材料的一种，具有非常优异的介电性质，其良好的绝缘性有效减小了电荷的散射，提供了出色的界面电介质，在二维材料半导体器件中具有不可替代的作用。因此六方氮化硼被认为是作为二维半导体材料绝缘衬底的绝佳选择，在微电子器件和集成电路领域有着非常大的发展前景。

但是影响六方氮化硼研究发展的问题是利用六方氮化硼制造电子器件的技术还不成熟，主要原因是二维六方氮化硼单晶生长困难，方法单一，制备成本高，产量低，质量不够高，满足不了器件需求，因此长期以来大尺寸，高质量的六方氮化硼单晶很难生长制备，限制了六方氮化硼的应用，寻找一个六方氮化硼晶体材料合适的生长方法也成为了六方氮化硼应用的难点。

氮化硼单晶的制备目前主要有两个途径：第一种主要是化学气相沉积法，在制备系统前端放置前驱体，所用的原料主要是含硼、氮元素的易挥发前驱体。在后端放置催化剂金属衬底，随着前端前驱体高温分解，硼氮原子在后端金属衬底表面反应沉积，最终生长出原子级别厚度的大面积氮化硼薄膜。目前较多的是使用氨硼烷等作为前驱体，具有催化功能的几种过渡金属(比如镍、铁)或者贵金属(比如金、铂)作为衬底。这种方法可以制备较大面积的薄膜，最大的可能达到分米级别，但是其厚度只限于原子尺度，一般不超过100纳米，而且生长过程需要使用易燃易爆气体，如氢气。并且氨硼烷等有机前驱体原料性质极不稳定，价格昂贵。另外，使用该方法生长的氮化硼单晶常会有一定的缺陷，质量不够稳定。非常薄的晶体材料使用时需要转移，转移过程中也可能出现污染或破损，很不方便，限制了其用途。第二种主要是针对大面积，大厚度的高质量氮化硼单晶的生长，其目的在于获得高纯度、高质量，使用方便的大块单晶材料。若需薄膜材料可使用类似胶带撕取石墨烯的方法从大块氮化硼单晶上撕取薄膜使用，使用用途广泛且灵活。该方法是将氮化硼粉末或硼粉直接和合金置于高温体系中，先高温熔融保持一段时间，再缓慢降温，晶体将会在金属表面生长。该方法最早主要是利用高温高压条件进行制备，日本的Taniguchi Takashi实验组于2004年利用高温高压条件，以Ba₃B₂N₄为溶剂，成功生长出了高质量高纯度的六方氮化硼单晶，尺寸首次达到毫米量级。但是由于高温高压的制备条件比较苛刻并且昂贵，具有一定的局限性。在持续的尝试和经验积累下，该课题组在2007年在常压条件下，以六方氮化硼粉末为原料，以镍钼合金为溶剂，在高温常压条件下生长出了较大尺寸的高质量六方氮化硼单晶，单晶大小达到毫米级别，厚度达到数十微米。进一步的，考虑到铬元素对氮元素具有很高的溶解度，2008年，该研究组采用镍铬合金作为溶剂，同样在常压下生长出了更大尺寸的六方氮化硼单晶。随后，美国James H.Edgar实验组于2012年也采用镍铬合金作为溶剂，生长出了较大尺寸的六方氮化硼单晶，单晶尺寸达到7毫米，厚度60微米左右；2018年该课题组考虑到铁-硼良好的亲和性，使用铁铬合金作为金属溶剂，也生长出六方氮化硼单晶。