基于电场调控的单晶氮化物薄膜的外延生长方法及应用

本发明涉及氮化物薄膜生长，尤其涉及一种基于电场调控的单晶氮化物薄膜的外延生长方法及应用。

背景技术：

1、作为第三代半导体材料，氮化镓（gan）及氮化铝（aln）具有优越的禁带宽度（远高于硅和碳化硅）、热导率、电子迁移率以及导通电阻。由于高温下生长氮化物时n的离解压力较高，很难获得大尺寸的gan及aln单晶材料。对于半导体膜，其生长方法的主流依赖于外延，包括同质外延和异质外延，但两种外延方法都需要单晶衬底进行沉积。目前，大多数商用器件都是基于异质外延的，主要衬底是碳化硅（sic）、硅（si）和蓝宝石（sapphire）。为了探索在下一代电子学和光电子中的新应用，要求在非外延衬底上生长单晶氮化物薄膜，如多晶金刚石衬底、非晶玻璃衬底等。

2、研究表明远程外延利用石墨烯的“晶格透明性”，衬底和外延层产生远程的静电相互作用，凭借衬底的自发极化产生的电荷富集对外延层这种相互作用，外延层可以透过石墨烯“复制”衬底的晶格信息，从而保证外延层的晶格取向一致性。

3、然而，由于非单晶衬底缺乏晶体取向，在非单晶衬底上实现单晶氮化物薄膜仍然是一个巨大挑战。尽管已经在非晶玻璃衬底和二氧化硅（sio2）/si模板上通过在受限区域中的局部生长获得了金字塔阵列或条形形式的几乎单晶的gan，但在非外延衬底上仍然无法实现具有单一取向的连续单晶gan膜。实验表明，单晶氮化物薄膜和非外延衬底的结合可能需要2d缓冲层，例如石墨烯作为缓冲层，它可以提供六边形对称性并引导单晶氮化物的生长。事实上，已经有研究证明了通过范德华外延或远程外延在石墨烯上生长单晶氮化物薄膜的可能性。然而，石墨烯下面的大多数衬底仍然局限于单晶，并不能够适用于多晶衬底甚至非晶衬底。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于电场调控的单晶氮化物薄膜的外延生长方法及应用。

2、为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

3、第一方面，本发明提供一种基于电场调控的单晶氮化物薄膜的外延生长方法，其包括：

4、在目标衬底表面覆设二维材料层；

5、利用外加电场极化所述目标衬底，所述外加电场的方向自所述目标衬底指向所述二维材料层；

6、在所述外加电场的极化作用下，利用氮源和ⅲ族金属源生长单晶氮化物薄膜。

7、第二方面，本发明还提供一种上述外延生长方法在制备ⅲ族金属氮化物基器件中的应用。

8、基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

9、本发明所提供的外延生长方法通过施加外加电场改变单晶氮化物薄膜的n p轨道和二维材料层的原子轨道之间的相对能级，从而在不同角度产生它们最有利的轨道耦合，最终能够在任意衬底上实现具有最优取向的单晶氮化物薄膜的生长，显著降低了对于目标衬底的要求。

10、并且本发明所采用的方法直接在目标衬底上生长单晶氮化物薄膜，避免转移过程中会造成的薄膜的破损，褶皱的引入以及胶体的残留，最终可获得低缺陷密度、低应力单晶氮化物薄膜；以及，在二维材料层上生长单晶氮化物薄膜，可以降低由晶格失配和热失配带来的缺陷和应力，提升氮化物的晶体质量，二维材料层之间弱的范德华力有助于单晶氮化物薄膜的剥离，容易地转移到其他衬底上。

11、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。

技术特征：

1.一种基于电场调控的单晶氮化物薄膜的外延生长方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于，具体包括：

3.根据权利要求2所述的外延生长方法，其特征在于，所述二维材料层采用湿法转移的方式转移至所述目标衬底的表面；所述过渡衬底为铜箔，所述外延生长方法具体包括：

4.根据权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于，所述单晶氮化物薄膜的生长过程包括：

5.根据权利要求4所述的外延生长方法，其特征在于，所述单晶氮化物薄膜的材质为氮化镓，所述ⅲ族金属源为镓源，所述第一条件包括温度为600-800℃、时间为5-30min、压力为450-900torr、所述氮源的流量为8000-14000sccm以及所述镓源的流量为30-80sccm；所述第二条件包括温度为1000-1200℃、时间为150-200min、压力为500-900torr、所述氮源的流量为5000-8000sccm以及所述镓源的流量为30-90sccm。

6.根据权利要求4所述的外延生长方法，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于，所述目标衬底包括单晶衬底、非晶衬底或多晶衬底；所述非晶衬底的材质包括非晶玻璃、非晶硅中的任意一种；所述多晶衬底的材质包括多晶金刚石、多晶硅、多晶碳化硅、多晶氮化钛中的任意一种；

8.一种单晶氮化物薄膜，其特征在于，所述单晶氮化物薄膜采用权利要求1-7中任意一项所述的外延生长方法制备得到。

9.一种ⅲ族金属氮化物基器件，所述ⅲ族金属氮化物基器件包括单晶氮化物薄膜，所述单晶氮化物薄膜为权利要求8所述的单晶氮化物薄膜。

技术总结本发明公开了一种基于电场调控的单晶氮化物薄膜的外延生长方法及应用。所述外延生长方法包括：在目标衬底表面覆设二维材料层；利用外加电场极化目标衬底，外加电场的方向自目标衬底指向二维材料层；在外加电场的极化作用下，利用氮源和Ⅲ族金属源生长单晶氮化物薄膜。本发明所提供的外延生长方法可改变原子轨道之间的相对能级，能够在任意衬底上实现具有最优取向的单晶氮化物薄膜的生长，显著降低了对于衬底的要求；可获得低缺陷密度、低应力单晶氮化物薄膜；可以降低由晶格失配和热失配带来的缺陷和应力，提升氮化物的晶体质量，二维材料层之间弱的范德华力有助于氮化物薄膜的剥离，容易地转移到其他衬底上。技术研发人员：王亮,徐俞,王钰宁,徐科受保护的技术使用者：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所技术研发日：技术公布日：2024/5/29