本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種帶隙可調(diào)的bn(al)薄膜材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

六方bn是一種具有高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性的間接寬帶隙半導(dǎo)體材料，又稱為白石墨。其耐高溫，適合作為耐火材料；在高頻下介電常數(shù)穩(wěn)定(4.2-4.45)、有壓電效應(yīng)、聲波傳輸速率高，使其適合制備聲表面波器件等。值得一提的是六方bn禁帶寬度約為6.0ev，可作為電子器件中的絕緣層應(yīng)用，同時(shí)這種寬帶隙使其在深紫外發(fā)光及光電探測(cè)均具有非常廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)al摻雜后，bn的禁帶寬度減小，將會(huì)使得紫外吸收波長(zhǎng)范圍增加，因此實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外光吸收波長(zhǎng)范圍的擴(kuò)大，尤其值得說(shuō)明的是，少量al摻雜的bn薄膜同時(shí)集成多種優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、耐高溫和耐腐蝕等特性，使其在制作高功率、高溫、高頻率、抗輻射、耐腐蝕器件及短波長(zhǎng)光探測(cè)器等方面極具潛力，研發(fā)al摻雜bn薄膜的制備技術(shù)非常重要。

六方氮化硼薄膜可以通過(guò)物理氣相沉積的方法獲得，然而對(duì)bn進(jìn)行al摻雜時(shí)，由于al與n具有更低的形成能，往往容易形成al-n鍵，而aln仍然具有較寬帶隙。因此，為了形成較大范圍的帶隙調(diào)節(jié)，需要誘導(dǎo)薄膜中形成al-b鍵，該過(guò)程能夠引入雜質(zhì)能級(jí)并實(shí)現(xiàn)帶隙的減小，al摻雜實(shí)現(xiàn)對(duì)bn進(jìn)行帶隙調(diào)制的關(guān)鍵是：1、在薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中誘導(dǎo)大量n空位缺陷態(tài)出現(xiàn)，同時(shí)通過(guò)共濺射的方法使al原子優(yōu)先進(jìn)入到缺陷位置，而實(shí)現(xiàn)帶隙的減??；2、精確調(diào)控al在薄膜中的含量以及離子的轟擊能量，使適量的al-b成鍵而形成bn(al)薄膜，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)帶隙的調(diào)節(jié)，目前關(guān)于通過(guò)化學(xué)沉積方法獲得氧摻雜六方氮化硼的方法有一些報(bào)道，但現(xiàn)有技術(shù)對(duì)制備帶隙可調(diào)bn(al)薄膜材料的方法是空缺的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決上述背景技術(shù)中現(xiàn)有技術(shù)缺少制備帶隙可調(diào)的bn(al)薄膜材料的制備方法等問(wèn)題，而提供一種帶隙可調(diào)的bn(al)薄膜材料及其制備方法，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)帶隙可調(diào)的bn(al)薄膜材料的制備方法，工藝簡(jiǎn)單，效率高。

一種帶隙可調(diào)的bn(al)薄膜材料，選擇富硼含量的bn靶材，并通過(guò)氬離子轟擊及樣品托盤上施加的負(fù)電壓誘導(dǎo)薄膜出現(xiàn)大量n空位缺陷，同時(shí)對(duì)al靶施加功率范圍為30-60w，最終實(shí)現(xiàn)al進(jìn)入n空位缺陷位置形成al-b鍵；所述的al摻雜bn薄膜完全由六方結(jié)構(gòu)構(gòu)成，不含有其他的相結(jié)構(gòu)，按照各成分的原子數(shù)百分含量比如下：

n含量的范圍為47.7-48.8at.％，b含量范圍為49.1-50.0at.％，摻雜al的含量范圍為1.2-3.2at.％。

一種帶隙可調(diào)的bn(al)薄膜材料的制備方法，具體操作步驟如下：

一、采用射頻共濺射法，以高純bn和al作為靶源，其中bn靶材的硼氮比為5:1-1.2:1，ar作為放電氣體，在單晶硅襯底上沉積bn(al)薄膜，其中bn靶材的功率為200-300w，al靶材的功率為30-60w，濺射總壓強(qiáng)為0.6-1.2pa，沉積溫度為室溫-800℃，靶基距為60-100mm，真空度為2×10^-4pa，薄膜制備過(guò)程中通入氬離子對(duì)薄膜生長(zhǎng)表面進(jìn)行轟擊的同時(shí)，同時(shí)在樣品托盤上施加的電壓為-100至-400v，誘導(dǎo)薄膜出現(xiàn)空位缺陷；

二.采用單晶si作為薄膜生長(zhǎng)的襯底：在襯底裝入濺射腔體之前，將其進(jìn)行預(yù)處理，分別使用丙酮、無(wú)水乙醇和去離子水一次超聲清洗15min，并用氮?dú)獯蹈桑?/p>

三、抽真空：將上述清洗得到的襯底安裝在樣品臺(tái)上，并分別將bn靶材和al靶材裝上靶臺(tái)，先后開(kāi)啟機(jī)械泵和分子泵抽真空，真空度需達(dá)到2×10^-4pa以下；

四、襯底預(yù)熱與預(yù)濺射：達(dá)到上述真空度后，對(duì)襯底進(jìn)行加溫，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)溫度時(shí)，持續(xù)保持該溫度不低于0.5h，濺射開(kāi)始前，為出去靶材上吸附的雜質(zhì)原子，如bn靶材上的氧，鋁靶表面的氧化鋁等，通入純氬氣，對(duì)靶材進(jìn)行預(yù)濺射，時(shí)間為10min；

五、開(kāi)始進(jìn)行濺射實(shí)驗(yàn)：

選擇硼氮比范圍為5:1-1.2:1的bn靶材，設(shè)置bn靶材的功率為200-300w，al靶材的功率為30-60w，濺射總壓強(qiáng)為0.6-1.2pa，沉積溫度為室溫-800℃，靶基距為60-80mm，真空度為2×10^-4pa，同時(shí)在樣品托盤上施加的電壓為-100至-400v，薄膜的沉積時(shí)間達(dá)到180min后，停止濺射，樣品在真空中自然冷卻至室溫后取出真空室。

按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通入氬氣，調(diào)整靶材功率，襯底偏壓，控制工作壓強(qiáng)和濺射時(shí)間，按照既定實(shí)驗(yàn)參數(shù)開(kāi)始濺射；

本發(fā)明提供的一種帶隙可調(diào)的bn(al)薄膜材料及其制備方法，其創(chuàng)造性在于實(shí)現(xiàn)了背景及技術(shù)中涉及的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：

(1)如何在bn薄膜生長(zhǎng)的過(guò)程中誘導(dǎo)形成n空位缺陷；

(2)如何實(shí)現(xiàn)薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中形成al-b鍵，最終實(shí)現(xiàn)帶隙可調(diào)；

針對(duì)以上兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，本發(fā)明的解決方案不需對(duì)設(shè)備進(jìn)行復(fù)雜改裝，也不用對(duì)設(shè)備添加任何昂貴的附件，通過(guò)第一性原理計(jì)算與實(shí)現(xiàn)相配合，從原子間結(jié)合能入手，基于熱力學(xué)條件和薄膜動(dòng)力學(xué)生長(zhǎng)過(guò)程的理解，提出了高效簡(jiǎn)單的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)突破，具體方案如下：

針對(duì)第一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，為了促進(jìn)bn薄膜n缺陷態(tài)的形成，首先選擇富硼含量的bn靶材，b:n約為5:1-1.2:1，在薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中引入氬離子的轟擊技術(shù)，并且為了使得大量缺陷態(tài)的出現(xiàn)，還通過(guò)對(duì)襯底增加了-100至-400v的負(fù)偏壓，以提高離子對(duì)薄膜生長(zhǎng)表面的轟擊能量，最終通過(guò)氬離子的轟擊，使得薄膜出現(xiàn)大量的n空位缺陷，因此富硼的氮化硼靶材的使用，氬離子的轟擊和襯底偏壓的引入是獲得n缺陷態(tài)bn薄膜形成的關(guān)鍵技術(shù)。

為了al離子能夠成功進(jìn)入bn的缺陷位置和以及針對(duì)性取代n原子并嚴(yán)格調(diào)控al在薄膜中的含量，通過(guò)對(duì)al靶材的濺射功率進(jìn)行了一系列的調(diào)整，最終獲得的al摻雜的bn薄膜，因此通過(guò)對(duì)al靶材的功率進(jìn)行調(diào)控而獲得薄膜中適當(dāng)?shù)腶l含量是獲得一種帶隙可調(diào)的bn(al)薄膜的重要特征，此外，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)摸索與結(jié)構(gòu)表征，并于理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比，最終確認(rèn)我們獲得了帶隙可調(diào)的bn(al)薄膜，并確認(rèn)了其組分級(jí)對(duì)應(yīng)的制備參數(shù)。

本發(fā)明的有益效果

本發(fā)明通過(guò)真空射頻磁控共濺射技術(shù)制備了bn(al)薄膜，制備方法高效簡(jiǎn)單，通過(guò)對(duì)薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中缺陷的調(diào)控，在生長(zhǎng)六方bn薄膜的同時(shí)對(duì)al靶源的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)bn進(jìn)行al摻雜，最終獲得al摻雜的六方氮化硼薄膜，bn(al)薄膜的帶隙范圍為：4.5-6.0ev,可用于波長(zhǎng)可調(diào)的發(fā)光器件，近紫外光吸收材料或光探測(cè)器件。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1中薄膜的xrd圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中薄膜截面sem圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例1中薄膜表面afm圖。

具體實(shí)施方式

在本發(fā)明中，合理選擇bn靶材的硼氮比，并通過(guò)氬離子轟擊薄膜生長(zhǎng)表面引入n空位缺陷并調(diào)控適當(dāng)?shù)腶l含量是獲得帶隙可調(diào)的bn(al)薄膜的必要條件，在實(shí)施例中通過(guò)對(duì)樣品托盤施加一定的負(fù)偏壓并控制al靶材的功率是關(guān)鍵技術(shù)。

一種帶隙可調(diào)的bn(al)薄膜材料，選擇富硼含量的bn靶材，并通過(guò)氬離子轟擊及樣品托盤上施加的負(fù)電壓誘導(dǎo)薄膜出現(xiàn)大量n空位缺陷，同時(shí)對(duì)al靶施加功率范圍為30-60w，最終實(shí)現(xiàn)al進(jìn)入n空位缺陷位置形成al-b鍵；所述的al摻雜bn薄膜完全由六方結(jié)構(gòu)構(gòu)成，不含有其他的相結(jié)構(gòu)，按照各成分的原子數(shù)百分含量比如下：

n含量的范圍為47.7-48.8at.％，b含量范圍為49.1-50.0at.％，摻雜al的含量范圍為1.2-3.2at.％。

一種帶隙可調(diào)的bn(al)薄膜材料的制備方法，具體操作步驟如下：

實(shí)施例1：

在單晶硅襯底進(jìn)行預(yù)處理，分別使用丙酮、無(wú)水乙醇和去離子水一次超聲清洗15min，并用氮?dú)獯蹈桑?/p>

將上述清洗得到的襯底安裝在樣品臺(tái)上，并分別將bn靶材和al靶材裝上靶臺(tái)，先后開(kāi)啟機(jī)械泵和分子泵抽真空，真空度達(dá)到2×10^-4pa以下；

對(duì)襯底進(jìn)行加溫至800℃，持續(xù)保持該溫度0.5h，通入純氬氣，對(duì)靶材進(jìn)行預(yù)濺射，時(shí)間為10min；

選擇硼氮比為2:1的bn靶材，設(shè)置bn靶材的功率為300w，al靶材的功率為30w，濺射總壓強(qiáng)為0.6pa，沉積溫度為800℃，靶基距為60mm，同時(shí)在樣品托盤上施加的電壓為-400v，薄膜的沉積時(shí)間達(dá)到180min后，停止濺射，樣品在真空中自然冷卻至室溫后取出真空室；此條件獲得的bn薄膜中n含量為48.5at.％，b含量為49.9at.％，摻雜al的含量為1.6at.％

對(duì)本實(shí)施例制備的bn(al)薄膜進(jìn)行xrd測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖1所示，從晶體結(jié)構(gòu)看，薄膜出現(xiàn)002峰，為六方結(jié)構(gòu)，細(xì)化最強(qiáng)峰002，發(fā)現(xiàn)波峰不對(duì)稱現(xiàn)象，這是因?yàn)椋孩僮陨斫Y(jié)構(gòu)含有大量缺陷；②含有雜質(zhì)元素al，結(jié)合薄膜截面sem圖和薄膜表面afm圖，請(qǐng)參閱圖2和圖3，能看出薄膜生長(zhǎng)致密，質(zhì)量好。

實(shí)施例2：

在單晶硅襯底進(jìn)行預(yù)處理，分別使用丙酮、無(wú)水乙醇和去離子水一次超聲清洗15min，并用氮?dú)獯蹈桑?/p>

將上述清洗得到的襯底安裝在樣品臺(tái)上，并分別將bn靶材和al靶材裝上靶臺(tái)，先后開(kāi)啟機(jī)械泵和分子泵抽真空，真空度達(dá)到2×10^-4pa以下；

對(duì)襯底進(jìn)行加溫至400℃，持續(xù)保持該溫度0.5h，通入純氬氣，對(duì)靶材進(jìn)行預(yù)濺射，時(shí)間為10min；

選擇硼氮比為3:1的bn靶材，設(shè)置bn靶材的功率為300w，al靶材的功率為45w，濺射總壓強(qiáng)為1.0pa，沉積溫度為400℃，靶基距為60mm，同時(shí)在樣品托盤上施加的電壓為-200v，薄膜的沉積時(shí)間達(dá)到180min后，停止濺射，樣品在真空中自然冷卻至室溫后取出真空室。此條件獲得的bn薄膜中n含量為48.1at.％，b含量為49.3at.％，摻雜al的含量為2.6at.％

實(shí)施例3：

在單晶硅襯底進(jìn)行預(yù)處理，分別使用丙酮、無(wú)水乙醇和去離子水一次超聲清洗15min，并用氮?dú)獯蹈桑?/p>

將上述清洗得到的襯底安裝在樣品臺(tái)上，并分別將bn靶材和al靶材裝上靶臺(tái)，先后開(kāi)啟機(jī)械泵和分子泵抽真空，真空度達(dá)到2×10^-4pa以下；

對(duì)襯底進(jìn)行加溫至600℃，持續(xù)保持該溫度0.5h，通入純氬氣，對(duì)靶材進(jìn)行預(yù)濺射，時(shí)間為10min；

選擇硼氮比為4:1的bn靶材，設(shè)置bn靶材的功率為300w，al靶材的功率為60w，濺射總壓強(qiáng)為1.2pa，沉積溫度為600℃，靶基距為80mm，同時(shí)在樣品托盤上施加的電壓為-200v，薄膜的沉積時(shí)間達(dá)到180min后，停止濺射，樣品在真空中自然冷卻至室溫后取出真空室。