[发明专利]一种提升六方氮化硼材料质量的外延生长方法

说明书

本发明公开了一种提升六方氮化硼材料质量的外延生长方法，属于半导体外延材料技术领域。本方法对单晶衬底采用表面氮化处理形成一薄层非晶氮化层，为后续六方氮化硼材料生长提供高密度的成核格点，采用源的分时输运工艺在非晶氮化层表面生长六方氮化硼材料，同时引入表面活性剂，改善材料表面形貌；材料生长结束后采用离位退火技术，对六方氮化硼材料进行重结晶。本方法能够实现表面平整、晶体质量较高的六方氮化硼材料，促进氮化硼基深紫外光电器件、范德华异质结等新型器件性能的提升。

技术领域

本发明涉及一种提升六方氮化硼材料质量的外延生长方法，属于半导体外延材料技术领域。

背景技术

当前限制深紫外光电器件性能的一个关键“卡脖子”技术是常规V/III族氮化物的P型掺杂效率偏低，致使V/III族氮化物P型重掺杂工艺实现难度大。已有多项研究表明，相比于常规V/III族氮化物材料，如氮化铝、氮化镓等，六方氮化硼材料中镁掺杂所需的激活能较低，即P型重掺杂宽禁带材料的工艺实现难度较低，因此六方氮化硼材料更易于实现高性能深紫外光电器件的研制；同时，六方氮化硼与石墨烯原子结构相似，且与石墨烯晶格失配仅1.7%，因此可作为石墨烯生长的理想衬底，有报道称在六方氮化硼衬底生长的石墨烯迁移率达到1.4*10⁵ cm²/(V·s)，为迄今最高；此外，六方氮化硼二维材料因表面无悬挂键，具有原子层级的平整表面，因此可作为顶栅-石墨烯场效应管的介质层，能够显著降低石墨烯与介质界面的陷阱及杂质浓度，抑制光学声子散射，从而大幅提升器件性能；并且六方氮化硼二维材料与石墨烯等二维材料结合形成的范德华异质结，在室温超导体、能量收集器、新型场效应管等方面具有较大的应用潜力。

六方氮化硼应用空间广阔，而当前制备六方氮化硼材料的主要技术包括离子束溅射沉积和在具有催化活性的金属衬底上化学气相沉积（CVD）生长技术等，虽然上述技术制备的材料质量和工艺成熟度均较高，但材料尺寸较低，不足1cm×1cm；且在器件研制期间，需将六方氮化硼材料转移至半绝缘衬底上，转移期间极易引入污染和褶皱，严重限制了材料质量和器件性能。

近期，国外报道了基于金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术研制六方氮化硼材料的研究，能够直接在半绝缘衬底上实现2英寸晶圆级材料的研制，有效克服了离子束溅射沉积技术和基于金属衬底CVD生长技术的难题。然而，半绝缘衬底普遍缺乏催化活性，六方氮化硼在半绝缘衬底成核所需活化能较高，导致材料成核困难、结晶质量较差；且MOCVD外延期间金属硼原子表面迁移速率低下，导致六方氮化硼材料难于合并成膜，表面较为粗糙；此外，金属有机硼源与氨气的气相预反应严重，预反应生成的颗粒物附着在生长表面，进一步恶化了材料表面。基于MOCVD工艺通过外延技术改良和工艺控制，改善衬底表面能、提升硼原子表面迁移速率、抑制气相预反应等，进而在半绝缘衬底上实现晶圆级高质量六方氮化硼材料的研制，这对于高性能氮化硼基深紫外光电器件、范德华异质结等新型器件的研制有着极为重要的意义。

发明内容

本发明提出了一种提升六方氮化硼材料质量的外延生长方法，采用表面氮化技术在单晶衬底上形成一薄层非晶氮化层，提升衬底表面能，为后续六方氮化硼材料生长提供高密度的成核格点；随后，采用源的分时输运工艺生长六方氮化硼材料，提升硼原子的表面迁移速率，促进岛间合并成膜，同时引入表面活性剂，改善材料表面形貌；外延结束后，采用离位退火技术，对六方氮化硼材料进行重结晶，进一步提升材料的晶体质量。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种提升六方氮化硼材料质量的外延生长方法，包括以下步骤：

步骤（1）：选取蓝宝石单晶衬底，置于MOCVD等材料生长的设备内基座上；

步骤（2）：设置反应室压力50~100 torr，通入H₂，系统升温至1000~1100℃，在H₂气氛下烘烤衬底5~15分钟，去除表面沾污；