[发明专利]一种硅基二维氮化镓及其范德华外延制备方法、应用

说明书

本申请涉及无机半导体材料技术领域，特别涉及一种硅基二维氮化镓及其范德华外延制备方法、应用。本申请提供的硅基二维氮化镓的范德华外延制备方法，包括：以镓金属或氧化镓作为镓源，以尿素作为氮源，以表面带有范德华材料的硅片作为生长基底，利用气相沉积法制备得到硅基二维氮化镓材料。本申请通过范德华外延技术，通过调控生长参数在范德华衬底上制备得到了硅基二维氮化镓，其结晶质量高、稳定性好、制备成本低、合成速度快、尺寸和厚度可调，可作为光电探测器的光探测部件，用于紫外探测。

技术领域

本申请涉及无机半导体材料技术领域，特别涉及一种硅基二维氮化镓及其范德华外延制备方法、应用。

背景技术

第三代半导体材料氮化镓(GaN)具有较宽的直接带隙(3.4eV)、稳定的物理化学性质、优异的发光效率、高饱和电子漂移速度、高击穿电压等性能，可满足高频、高温、高功率电子器件要求，是研制高效率光源器件(LED、LD等)、大功率晶体管(HEMT、FET等)、光探测器件(PDs、Sensors)以及微波通信器件(微波振荡器、功率放大器等)等的理想材料，在微电子集成技术中有着巨大的应用前景。相比于氮化镓块体材料，二维氮化镓已被证实由于量子限域效应，其禁带宽度可拓宽至5eV，非常适合深紫外光电探测。另一方面，二维氮化镓的二维薄层结构与现有微纳加工工艺兼容性高，便于规模化器件集成和在柔性器件上的应用，这些特征使得二维氮化镓引起了广泛的关注。然而，氮化镓具有本征的三维键体结构，很难通过机械剥离或气相沉积法直接制备出相应的二维薄膜结构。此外，现有的生长技术(例如分子束外延和脉冲激光沉积)往往要求外延层与生长基底之间的严格晶格匹配。因此，氮化镓材料与硅基的集成应用还存在巨大的挑战，探索非层状氮化镓材料的二维化制备及其与硅基集成的普适性方法具有重要的研究意义与实际应用价值。

发明内容

本申请实施例提供一种硅基二维氮化镓的范德华外延制备方法，解决了二维氮化镓硅基集成中面临的多物理失配限制问题。

第一方面，本申请提供一种硅基二维氮化镓的范德华外延制备方法，包括：以镓金属或氧化镓作为镓源，以尿素作为氮源，以表面带有范德华材料的硅片作为生长基底，利用气相沉积法制备得到硅基二维氮化镓材料。

一些实施例中，所述制备方法包括以下步骤：

在硅片A的表面制备范德华材料，得到硅片-范德华材料复合基底；

将镓源压印在硅片B的表面，得到金属镓膜，静置，形成氧化镓膜；

将硅片-范德华材料复合基底倒扣在氧化镓膜的上方，之后共同放置在双温区管式炉的后温区，将氮源置于双温区管式炉的前温区，在氢气-氩气的混合氛围中加热反应10-60分钟，反应结束后冷却，即得到硅基二维氮化镓材料。

一些实施例中，所述范德华材料选用云母、氮化硼或石墨的任一种。一些优选实施例中，所述范德华材料选用氮化硼。

一些实施例中，双温区管式炉前温区的温度设置为130-180℃，双温区管式炉后温区的温度设置为800-1050℃。一些优选实施例中，双温区管式炉前温区的温度设置为160℃，双温区管式炉后温区的温度设置为950℃。

一些实施例中，范德华材料的厚度为0.3-100nm。一些优选实施例中，范德华材料的厚度为1-20nm。

一些实施例中，氢气的流量为10-50sccm，氩气的流量为40-200sccm。一些优选实施例中，氢气的流量为20sccm，氩气的流量为100sccm。

一些实施例中，硅片-范德华材料复合基底与氧化镓膜之间间隔0.3-3mm。一些优选实施例中，硅片-范德华材料复合基底与氧化镓膜之间间隔0.5mm。

一些实施例中，采用机械剥离法或气相沉积法在硅片A的表面制备范德华材料。