本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料，具體涉及一種單原子層二維金屬氮化物的制備方法。

背景技術(shù)：

1、氮化物半導(dǎo)體是第三代半導(dǎo)體家族中重要的組成部分，其具有超寬禁帶寬度、耐高溫、優(yōu)異的抗輻射性能，適用于高頻、高功率器件。隨著對單原子層的二維氮化物研究的深入，相比于傳統(tǒng)體狀氮化物，單原子層二維氮化物有著更為優(yōu)異的特性：更寬的禁帶寬度、優(yōu)異的機(jī)械應(yīng)變能力、極強(qiáng)的光學(xué)透性以及超低熱導(dǎo)率等特點(diǎn)。

2、氮化鎵(gan)是一種重要的寬禁帶半導(dǎo)體材料，作為氮化物半導(dǎo)體中最具特色的材料，因其獨(dú)特的光電性質(zhì)而在光電子和微電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。氮化鎵具有3.4ev的直接寬帶隙，這使得其在發(fā)光二極管(leds)、激光二極管和高性能紫外探測器等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。其次，氮化鎵展現(xiàn)出高載流子濃度和高擊穿電場的特性，這使其在高頻、高功率的電子器件中表現(xiàn)出色。此外，氮化鎵的高熱導(dǎo)率和良好的化學(xué)穩(wěn)定性使其成為高電子遷移率晶體管(hemts)、高頻微波通信和高溫下工作的太赫茲探測器的理想材料。這些性質(zhì)使得氮化鎵成為光電器件和高頻、高功率電力電子器件等領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。

3、傳統(tǒng)的制備工藝中，往往是通過體單晶生長的方法制備氮化鎵材料。然而由于氮化鎵具有很高的熔點(diǎn)和飽和蒸汽壓，在自然界中無法以單晶形式存在，通過傳統(tǒng)的體單晶生長方法難以制備出二維氮化鎵薄膜。隨著對氮化鎵材料研究的深入，其在不同維度和結(jié)構(gòu)中的光電性質(zhì)正在不斷被探索和優(yōu)化，以滿足日益增長的應(yīng)用需求，因而需要尋求新的制備方法。

4、現(xiàn)有技術(shù)中，通過金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積(metal-organic?chemicalvapor?deposition，mocvd)技術(shù)和氫化物氣相外延(hydride?vapor?phase?epitaxy，hvpe)技術(shù)能夠生長出二維氮化鎵薄膜。然而，通過mocvd生長出的二維gan薄膜在完成生長后需要進(jìn)行退火處理，且最終獲得的薄膜可能存在裂紋，影響產(chǎn)品質(zhì)量。hvpe通常需要采用異質(zhì)襯底進(jìn)行二維氮化鎵薄膜的生長，晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)的失配會導(dǎo)致外延層產(chǎn)生強(qiáng)應(yīng)力，進(jìn)而引發(fā)裂紋和高缺陷密度。同時，hvpe的生長條件較為苛刻，生長窗口窄，導(dǎo)致工藝的可重復(fù)性較差。除此之外，采用將液態(tài)金屬鎵轉(zhuǎn)移至銅箔表面，利用管式爐并且在混合氣體和900℃的條件下保溫10h，得到銅鎵合金，接著利用銅鎵合金并采用化學(xué)氣相沉積法制備二維氮化鎵/銅箔復(fù)合體，之后利用pmma轉(zhuǎn)移法或鼓泡轉(zhuǎn)移法將二維氮化鎵/銅箔復(fù)合體中的二維氮化鎵轉(zhuǎn)移到載體片上，也可以得到二維氮化鎵薄膜。此方法通過化學(xué)氣相沉積法的表面限制硝化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了二維氮化鎵的生長，制備的二維氮化鎵不需要外延的二維材料來限制三維結(jié)構(gòu)的生長，所獲得的二維氮化鎵膜能夠直接轉(zhuǎn)移，能夠制備出更薄的二維氮化鎵薄膜。然而，盡管此方法獲得了更薄的二維氮化鎵薄膜，獲得的二維氮化鎵仍是纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，無法制備出單原子層的二維氮化鎵。

5、因此，針對上述技術(shù)問題，有必要提供一種單原子層二維金屬氮化物的制備方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種單原子層二維金屬氮化物的制備方法，其能夠?qū)崿F(xiàn)單原子層二維金屬氮化物的可控生長。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一實(shí)施例提供的技術(shù)方案如下：

3、一種單原子層二維金屬氮化物的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

4、提供金屬單晶襯底；

5、對金屬單晶襯底進(jìn)行表面處理；

6、利用分子束外延工藝在金屬單晶襯底上制備單原子層二維金屬氮化物。

7、一實(shí)施例中，所述單原子層二維金屬氮化物采用分子束外延設(shè)備進(jìn)行制備，所述分子束外延設(shè)備包括第一腔室和第二腔室，所述第二腔室的真空度高于第一腔室的真空度，所述第二腔室中設(shè)有金屬源、氮源和液氮冷阱。

8、一實(shí)施例中，利用分子束外延工藝在金屬單晶襯底上制備單原子層二維金屬氮化物包括以下步驟：

9、將金屬單晶襯底置于所述第二腔室中，以0.1℃/s～10℃/s的升溫速率將金屬單晶襯底的溫度提高至350℃～800℃；

10、通過金屬源和氮源分別獲得金屬源束流和氮等離子體源束流，在金屬單晶襯底上制備單原子層二維金屬氮化物；

11、將制備出的單原子層二維金屬氮化物冷卻至室溫，冷卻速率為1℃/min～30℃/min。

12、一實(shí)施例中，所述金屬源束流通過加熱所述金屬源至500℃～800℃獲得，所述金屬源束流的流速為和/或，

13、所述氮源為氮?dú)?，所述氮?dú)獾牧髁繛?.5sccm～5sccm，所述氮等離子體源束流通過射頻裂解氮?dú)猥@得，射頻裂解氮?dú)獾墓β蕿?00w～350w。

14、一實(shí)施例中，對金屬單晶襯底進(jìn)行表面處理包括以下步驟：

15、在所述第一腔室中對金屬單晶襯底進(jìn)行除氣、退火處理；

16、在所述第二腔室中對金屬單晶襯底進(jìn)行若干次氬刻蝕和退火處理。

17、一實(shí)施例中，所述第一腔室的真空度為1×10-8～1×10-9mbar，所述第二腔室的真空度不低于1×10-10mbar。

18、一實(shí)施例中，所述金屬源的純度大于或等于99.9999％，所述氮源的純度大于或等于99.9999％。

19、一實(shí)施例中，對金屬單晶襯底進(jìn)行表面處理后，金屬單晶襯底表面的原子級臺階的高度為0.1nm～0.5nm。

20、一實(shí)施例中，所述單原子層二維金屬氮化物中的金屬為鎵、鋁、銦中的一種或多種的組合。

21、一實(shí)施例中，所述金屬單晶襯底為金單晶襯底、銀單晶襯底或銅單晶襯底。

22、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

23、本發(fā)明利用分子束外延技術(shù)在具有原子級平整度的金屬單晶襯底表面制備出單原子層二維氮化鎵；

24、本發(fā)明整個制備流程在高真空環(huán)境下進(jìn)行，能夠有效避免雜質(zhì)的污染，并控制摻雜量，制備出高純、高質(zhì)量的單原子層二維氮化鎵；

25、本發(fā)明能夠?qū)卧訉佣S氮化鎵的生長速率進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)在原子尺度上控制單原子層二維氮化鎵的厚度和組分。

技術(shù)特征：

1.一種單原子層二維金屬氮化物的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單原子層二維金屬氮化物的制備方法，其特征在于，所述單原子層二維金屬氮化物采用分子束外延設(shè)備進(jìn)行制備，所述分子束外延設(shè)備包括第一腔室和第二腔室，所述第二腔室的真空度高于第一腔室的真空度，所述第二腔室中設(shè)有金屬源、氮源和液氮冷阱。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單原子層二維金屬氮化物的制備方法，其特征在于，利用分子束外延工藝在金屬單晶襯底上制備單原子層二維金屬氮化物包括以下步驟：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單原子層二維金屬氮化物的制備方法，其特征在于，所述金屬源束流通過加熱所述金屬源至500℃～800℃獲得，所述金屬源束流的流速為和/或，

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單原子層二維金屬氮化物的制備方法，其特征在于，對金屬單晶襯底進(jìn)行表面處理包括以下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單原子層二維金屬氮化物的制備方法，其特征在于，所述第一腔室的真空度為1×10-8～1×10-9mbar，所述第二腔室的真空度不低于1×10-10mbar。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單原子層二維金屬氮化物的制備方法，其特征在于，所述金屬源的純度大于或等于99.9999％，所述氮源的純度大于或等于99.9999％。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單原子層二維金屬氮化物的制備方法，其特征在于，對金屬單晶襯底進(jìn)行表面處理后，金屬單晶襯底表面的原子級臺階的高度為0.1nm～0.5nm。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單原子層二維金屬氮化物的制備方法，其特征在于，所述單原子層二維金屬氮化物中的金屬為鎵、鋁、銦中的一種或多種的組合。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單原子層二維金屬氮化物的制備方法，其特征在于，所述金屬單晶襯底為金單晶襯底、銀單晶襯底或銅單晶襯底。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種單原子層二維金屬氮化物的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：提供金屬單晶襯底；對金屬單晶襯底進(jìn)行表面處理；利用分子束外延工藝在金屬單晶襯底上制備單原子層二維金屬氮化物。本發(fā)明利用分子束外延技術(shù)在具有原子級平整度的金屬單晶襯底表面制備出單原子層二維金屬氮化物，制備出的單原子層二維金屬氮化物純度高、晶格缺陷少。

技術(shù)研發(fā)人員：張潤楠,宋文濤,蔣夢景,陳科蓓,徐科
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/22