[发明专利]一种利用液态金属镓制备大尺寸二维晶态氮化镓的方法

说明书

本发明属于氮化镓制备领域，为解决如何使用无毒无害的氮源用以制备尺寸较大、厚度较小的二维氮化镓材料的问题，本发明提供一种镓基液态金属辅助制备二维氮化镓的方法，本技术方案通过化学气相沉积实现，包含三步：(1)使用镓基液态金属在氧化硅片上制得二维氧化镓薄膜；(2)将二维氧化镓薄膜与氮源尿素(CHsubgt;4/subgt;Nsubgt;2/subgt;O)置于管式炉中；(3)在氧化硅基底上发生化学反应并产生二维氮化镓薄膜。使用本发明提供的技术方案制备的二维氮化镓表面平整度良好、尺寸较大，便于商业化生产。

技术领域

本发明涉及二维氮化镓制备领域，具体涉及一种利用液态金属镓制备大尺寸二维晶态氮化镓的方法。

背景技术

目前第三代半导体材料主要有三族化合物半导体材料、碳化硅和氧化物半导体材料，其中三族化合物半导体常见的有氮化镓和氮化铝；氧化物半导体材料主要有氧化锌、氧化镓和钙钛矿等。第三代半导体材料禁带宽度大，具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优点，因此适合制作耐高压、高频、高电流的器件，也可以降低器件的功耗。

氮化镓是一种具有重要技术意义的半导体，氮化镓材料的研究和应用是目前全球半导体研究的前沿和热点。并且由于其优异的电子和光学性能，广泛用于微电子器件、光电子器件，例如，氮化镓拥有较宽的带隙(3.4eV)，有利于蓝光和近紫外光的高效发射，是生产发光二极管的首选材料。氮化镓的高载流子迁移率、化学稳健性以及压电和热释电特性也导致了其他重要的应用，包括各种场效应晶体管、能量收集系统、传感器和光催化剂。

传统的氮化镓制备方法多种多样，其中基于分子束外延或化学气相沉积技术的工艺最为常见。分子束外延法是在超高真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温度的单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。化学气相沉积法是利用气态或蒸汽态的物质在气相或气固界面上发生反应生成固态沉积物的过程。

目前为止二维氮化镓的制备主要基于分子束外延法和化学气相沉积法。虽然分子束外延法可以控制超薄膜的形成，但它们需要相当复杂的设备、较大的投资，且外延生长速度较慢、经济效益差，还可能导致外延膜表面缺陷密度大；而化学气相沉积法中大部分使用对人体伤害较大的氨气进行制备，且由于固有的成核作用，不能得到超薄的氮化镓薄膜。因此，从可持续发展的角度，研究一种低成本、对人体及环境无害的二维氮化镓制备方法是十分必要的。传统方法制备氮化镓主要使用氨气作为氮源进行高温反应，且对生产设备、生产成本和生产技术要求较高，并且氨气容易腐蚀阀门等金属部件，造成环境污染，危害人体健康。

发明内容

如何在使用无毒无害氮源的情况下，使用单质镓辅助制备出大尺寸、结晶度较高且原子层薄的二维氮化镓材料是本发明要解决的技术问题。本发明提供了一种使用镓单质在室温条件下制得结晶度较高、原子层薄的晶态二维氧化镓中间产物，操作简便且对实验条件要求不高。基于此，再使用无毒无害氮源——尿素(CH₄N₂O)，制备出尺寸、结晶度高且原子层薄、表面平整、元素分布均匀的大尺寸超薄二维氮化镓材料。上述大尺寸二维氮化镓材料，其二维尺寸可达1cm*1cm。本专利得到的成果可进一步用于制造微纳光电子器件。

本发明公开了一种利用液态金属镓制备大尺寸二维氮化镓的方法，包括以下步骤：

S1.在50-100℃的环境中，将镓液滴放置在玻璃片上；

S2.用绝缘硅片向下挤压所述镓液滴，在所述绝缘硅衬底上形成镓覆膜，生成带有镓覆膜的绝缘硅片；

S3.将带有镓覆膜的绝缘硅片置于乙醇溶液中超声处理，去除多余液态镓，在绝缘硅片上得到二维Ga₂O₃薄膜；