一种高质量晶圆级硒氧化铋半导体单晶薄膜的批量化制备方法

摘要

本发明公开了一种高质量晶圆级硒氧化铋半导体单晶薄膜的批量化制备方法。该方法包括：以含有Bi元素和Se元素的化合物为原料，以单晶晶圆为生长基底，进行化学气相沉积，得到所述Bi2O2Se薄膜。本发明利用外延面对称性一致的共格外延方式生长取向一致的单晶Bi2O2Se，通过延长生长时间，制备得到了由取向一致的单晶Bi2O2Se晶粒拼接而成的连续单晶薄膜。该方法工艺流程简单，操作容易，成本低，薄膜尺寸大，并可有望应用于晶圆级Bi2O2Se单晶薄膜的批量化生产；为Bi2O2Se半导体薄膜在光电探测器或场效应晶体管等领域的应用奠定了基础。

权利要求

1.一种Bi2O2Se薄膜，其特征在于：所述Bi2O2Se薄膜由Bi2O2Se单晶晶粒拼接而成；

所述Bi2O2Se薄膜的晶圆直径不小于1英寸；

所述Bi2O2Se薄膜为单晶薄膜；

制备所述Bi2O2Se薄膜的方法，包括：以含有Bi元素和Se元素的化合物为原料，以单晶晶圆为生长基底，进行化学气相沉积，得到所述Bi2O2Se薄膜；

所述单晶晶圆为LaAlO3(001)、SrTiO3(001)或(La,Sr)(Al,Ta)O3(001)单晶晶圆；

所述原料为Bi2O3和Bi2Se3；

所述Bi2O3和Bi2Se3的摩尔比为1.5-2：1；

所述化学气相沉积步骤中，沉积压强为800-1000托；

沉积温度为540℃-660℃；

沉积时间不大于25分钟；

载气为氮气或惰性气体；

载气的流量为250-450sccm。

2.根据权利要求1所述的Bi2O2Se薄膜，其特征在于：所述Bi2O2Se单晶晶粒的取向一致；

所述Bi2O2Se薄膜在300K下的霍尔迁移率为95-120cm2 V-1s-1。

3.根据权利要求1所述的Bi2O2Se薄膜，其特征在于：所述单晶晶圆的直径为1-2英寸。

4.根据权利要求3所述的Bi2O2Se薄膜，其特征在于：所述载气为氩气。

5.根据权利要求1-4中任一所述的Bi2O2Se薄膜，其特征在于：所述化学气相沉积在管式炉；

按照载气流向，所述原料位于所述管式炉的中心位置；

所述基底位于所述管式炉中心位置的下游。

6.一种制备权利要求1或2所述Bi2O2Se薄膜的方法，包括：以含有Bi元素和Se元素的化合物为原料，以单晶晶圆为生长基底，进行化学气相沉积，得到所述Bi2O2Se薄膜；

所述单晶晶圆为LaAlO3(001)、SrTiO3(001)或(La,Sr)(Al,Ta)O3(001)单晶晶圆；

所述原料为Bi2O3和Bi2Se3；

所述Bi2O3和Bi2Se3的摩尔比为1.5-2：1；

所述化学气相沉积步骤中，沉积压强为800-1000托；

沉积温度为540℃-660℃；

沉积时间不大于25分钟；

载气为氮气或惰性气体；

载气的流量为250-450sccm。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述单晶晶圆的直径为1-2英寸。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述载气为氩气。

9.根据权利要求6-8中任一所述的方法，其特征在于：所述化学气相沉积在管式炉；

按照载气流向，所述原料位于所述管式炉的中心位置；

所述基底位于所述管式炉中心位置的下游。

10.权利要求1-5任一所述Bi2O2Se薄膜在制备光电探测器或红外光电探测器或场效应晶体管中的应用。

11.含有权利要求1-5任一所述Bi2O2Se薄膜的光电探测器或红外光电探测器或场效应晶体管。

说明书

一种高质量晶圆级硒氧化铋半导体单晶薄膜的批量化制备

方法

技术领域

[0001] 本发明属于半导体材料领域，涉及一种高质量晶圆级硒氧化铋半导体单晶薄膜的批量化制备方法。

背景技术

[0002] 硒氧化铋(Bi2O2Se)是一种传统的热电材料，属于四方晶系由(Bi2O2)n层和Sen交替连接构成而具有二维层状晶体结构。Bi2O2Se由于独特的晶体和能带结构，使其具有优异的电学、光学、光电性能和环境稳定性。作为一种超高迁移率的二维半导体层状材料，Bi2O2Se室温下其场效应电子迁移率高达2200cm2V-1S-1,开关比高达106，亚阈值摆幅低至65mV/dec，可能应用于高性能逻辑器件、光电等领域，并可能制备全新的二维柔性电子器件和光电器件。

[0003] 目前，Bi2O2Se材料主要是通过溶液法或高温气质输运方法得到，且所得产物为纳米晶或者块体，其晶体质量较差，难以满足电子和光电子领域的需求。吴金雄等采用化学气相沉积(CVD)合成方法在云母基底制备了Bi2O2Se二维单晶，且电学输运研究表明CVD合成单晶具有较高迁移率，低温霍尔迁移率可高于20000cm2V-1s-1。诚然，基于云母基底利用CVD方法合成Bi2O2Se二维单晶具有简单易行，能够得到高质量晶体且可实现大面积生长等优点；然而，由于Bi2O2Se和云母晶体的对称性关系，导致制备出的Bi2O2Se在云母基底上表现出00、
300和600等能量取向，进而诱使云母基底上的Bi2O2Se薄膜晶界多，质量差，难以满足实际应用需求。故而，大面积连续高质量的单晶薄膜材料的可控合成是二维半导体Bi2O2Se材料实现规模化应用的关键和难点。然而，迄今为止，高质量的晶圆级Bi2O2Se单晶薄膜的合成尚未见报道。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种高质量晶圆级硒氧化铋半导体单晶薄膜的批量化制备方法。

[0005] 本发明提供的Bi2O2Se薄膜，所述Bi2O2Se薄膜由Bi2O2Se单晶晶粒拼接而成。

[0006] 上述Bi2O2Se薄膜中，所述Bi2O2Se单晶晶粒的取向一致；

[0007] 所述Bi2O2Se薄膜在300K下的霍尔迁移率为95-120cm2V-1s-1；具体为100cm2V-1s-1；

[0008] 所述Bi2O2Se薄膜的晶圆直径不小于1英寸，具体可为1、1.5或2英寸。

[0009] 本发明提供的制备所述Bi2O2Se薄膜的方法，包括：

[0010] 以含有Bi元素和Se元素的化合物为原料，以单晶晶圆为生长基底，进行化学气相沉积，得到所述Bi2O2Se薄膜。

[0011] 上述方法中，所述单晶晶圆的晶格常数与所述Bi2O2Se的晶格常数相同。

[0012] 所述单晶晶圆为LaAlO3(001)、SrTiO3(001)或(La,Sr)(Al,Ta)O3(001)单晶晶圆；

[0013] 所述单晶晶圆圆的直径为1-2英寸。

[0014] 所述原料为Bi2O3和Bi2Se3；所述Bi2O3和Bi2Se3的摩尔比为1.5-2：1。

[0015] 所述化学气相沉积步骤中，沉积压强为800-1000托；

[0016] 沉积温度为540℃-660℃，具体可为540℃、580℃、600℃、640℃或660℃；

[0017] 沉积时间不大于25分钟，具体可为5-25分钟，更具体可为5、10、15、20或25分钟；

[0018] 载气为氮气或惰性气体，如氩气；

[0019] 载气的流量为250-450sccm，具体可为250、300、350、400或450sccm。

[0020] 所述化学气相沉积可在管式炉中进行；具体可在管径为1.5-4.5英寸的管式炉中进行；所述管式炉的管径更具体可为1.5、2、3或4.5英寸。

[0021] 按照载气流向，所述原料位于所述管式炉的中心位置；

[0022] 所述基底位于所述管式炉中心位置的下游；具体为距所述中心位置14-17厘米的下游位置。

[0023] 另外，上述本发明提供的Bi2O2Se薄膜在制备光电探测器或场效应晶体管中的应用及含有所述Bi2O2Se薄膜的光电探测器或场效应晶体管，也属于本发明的保护范围。所述光电探测器具体可为红外光电探测器。

[0024] 以铝酸镧(001)、钛酸锶(001)及铝酸锶钽镧(001)单晶晶圆为生长基底，Bi2O3粉末和Bi2Se3块体为原料，进行化学气相沉积，沉积完毕后得到所述层状Bi2O2Se半导体连续单晶薄膜。

[0025] 上述方法中，所述Bi2O3粉末与Bi2Se3块体的摩尔比为3:2。

[0026] 所述化学气相沉积在单晶基底上进行；

[0027] 所述晶圆基底具体为铝酸镧(001)、钛酸锶(001)及铝酸锶钽镧(001)单晶晶圆，化学式分别为LaAlO3,SrTiO3、(La,Sr)(Al,Ta)O3。

[0028] 所述晶圆基底尺寸为1-2英寸。

[0029] 所述化学气相沉积步骤中，载气为氩气；

[0030] 所述氩气流量为250-450sccm，具体可为。

[0031] 体系压强为800-1000托，具体可为800、900或1000托。

[0032] 沉积温度为540-660℃，具体可为。

[0033] 沉积时间为5-25分钟，具体可为。

[0034] 所述化学气相沉积具体可在管式炉中进行；

[0035] 所述管式炉的管径为1.5–4.5英寸，具体可为。

[0036] 更具体的，所述原料位于所述管式炉的中心位置。

[0037] 所述晶圆基底位于所述管式炉中心位置的下游。

[0038] 所述方法还包括如下步骤：在所述化学气相沉积步骤之后，将体系快速降温至室温。

[0039] 图1是本发明生长Bi2O2Se薄膜方法的示意图。

[0040] 按照上述方法制备得到的晶圆级Bi2O2Se半导体单晶薄膜及基于该Bi2O2Se半导体晶圆级单晶薄膜在制备红外光电探测器或场效应晶体管中的应用，也属于本发明的保护范围。

[0041] 所述晶圆级Bi2O2Se半导体单晶薄膜在300K下的霍尔迁移率具体可为100cm2V-1s-1。

[0042] 本发明中，该方法制备的晶圆级Bi2O2Se半导体单晶薄膜尺寸可达2英寸以上，该方法经济、简单易行、所得薄膜大面积连续迁移率高，具有广阔应用前景。

[0043] 本发明的有益效果如下：

[0044] 1、本发明采用化学气相沉积技术，以LaAlO3(001),SrTiO3(001)、(La,Sr)(Al,Ta)O3(001)(LSAT)单晶晶圆为生长基底，利用外延面对称性一致的共格外延方式生长取向一致的单晶Bi2O2Se，通过延长生长时间，制备得到了由取向一致的单晶Bi2O2Se晶粒拼接而成的连续单晶薄膜。

[0045] 2、本发明工艺流程简单，操作容易，成本低，薄膜尺寸大，并可有望应用于晶圆级Bi2O2Se单晶薄膜的批量化生产；为Bi2O2Se半导体薄膜在光电探测器或场效应晶体管等领域的应用奠定了基础。

附图说明

[0046] 图1为本发明生长Bi2O2Se薄膜方法的示意图；

[0047] 图2为本发明介绍的Bi2O2Se、LaAlO3(001)、SrTiO3(001)、(La,Sr)(Al,Ta)O3(001)(LSAT)的晶体结构图；

[0048] 图3是本发明实施例1、2、3中所得Bi2O2Se单晶薄膜生长光学照片；

[0049] 图4是本发明实施例1中所得Bi2O2Se薄膜晶圆级EBSD表征图片；

[0050] 图5是本发明实施例1中所得Bi2O2Se薄膜高分辨XRD(HRXRD)表征图片；

[0051] 图6是本发明实施例1中所得Bi2O2Se薄膜的室温霍尔迁移率曲线；

[0052] 图7是本发明实施例2中所得Bi2O2Se薄膜高分辨XRD(HRXRD)表征图片；

[0053] 图8是本发明实施例3中所得Bi2O2Se薄膜高分辨XRD(HRXRD)表征图片。

具体实施方式

[0054] 下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。

[0055] 实施例1

[0056] 称取2.13克Bi2O3粉末和2.00克块体(摩尔比1.5:1)，将其置于管式炉石英管的中心。接着，将1英寸SrTiO3(001)单晶晶圆置于距离管式炉中心14-17厘米的下游处。通入载气氩气，流量为350sccm，维持体系压强为1000托。将温度升至640摄氏度，维持15分钟，进行化学气相沉积。沉积完毕后停止载气的通入，自然降温至室温，将沉积有Bi2O2Se薄膜的SrTiO3(001)基底取出，即得到本发明提供的层状Bi2O2Se半导体单晶薄膜。

[0057] 图2为该实施例制备所得晶圆级Bi2O2Se半导体单晶薄膜的基底SrTiO3(001)晶体结构图；由图可知，Bi2O2Se(001)与SrTiO3(001)具有完美契合的晶格常数，Bi2O2Se在SrTiO3(001)上外延方式为共格外延生长；

[0058] 图3是该实施例中所得Bi2O2Se单晶薄膜生长光学照片；由图可知，所得Bi2O2Se薄膜为晶圆级连续均一薄膜；直径为1英寸；

[0059] 图4是该实施例中所得Bi2O2Se薄膜晶圆级EBSD表征图片；由图可知，所得晶圆级Bi2O2Se薄膜为单晶薄膜；

[0060] 图5是该实施例中所得Bi2O2Se薄膜高分辨XRD(HRXRD)表征图片；由图可知，所得Bi2O2Se二维晶体的结晶性非常良好，其与生长基底为共格生长。

[0061] 图6是该实施例所得Bi2O2Se二维晶体薄膜的室温霍尔迁移率曲线；由图可知，所得Bi2O2Se二维晶体薄膜的室温霍尔迁移率可达100cm2V-1s-1。

[0062] 实施例2

[0063] 称取2.13克Bi2O3粉末和2.00克块体(摩尔比1.5:1))，将其置于管式炉石英管的中心。接着，将1英寸LaAlO3(001)单晶晶圆基底置于距离管式炉中心14-17厘米的下游处。通入载气氩气，流量为350sccm，维持体系压强为800托。将温度升至640摄氏度，维持15分钟，进行化学气相沉积。沉积完毕后停止载气的通入，自然降温至室温，将沉积有Bi2O2Se薄膜的LaAlO3(001)基底取出，即得到本发明提供的层状Bi2O2Se半导体单晶薄膜。

[0064] 图2为该实施例制备所得晶圆级Bi2O2Se半导体单晶薄膜的基底LaAlO3(001)晶体结构图；由图可知，Bi2O2Se(001)与LaAlO3(001)具有契合的晶格常数，晶格失配仅约为2％，Bi2O2Se在LaAlO3(001)上外延方式为共格外延生长；

[0065] 图3是该实施例中所得Bi2O2Se单晶薄膜生长光学照片；由图可知，所得Bi2O2Se薄膜为晶圆级连续均一薄膜；直径为1英寸；

[0066] 图7是该实施例中所得Bi2O2Se薄膜高分辨XRD(HRXRD)表征图片；由图可知，所得晶圆级Bi2O2Se薄膜为单晶薄膜；所得Bi2O2Se二维晶体的结晶性非常良好，其与生长基底为共格生长。

[0067] 实施例3

[0068] 称取2.13克Bi2O3粉末和2.00克块体(摩尔比1.5:1))，将其置于管式炉石英管的中心。接着，将2英寸(La,Sr)(Al,Ta)O3(001)单晶晶圆基底置于距离管式炉中心14-17厘米的下游处。通入载气氩气，流量为350sccm，维持体系压强为800托。将温度升至640摄氏度，维持15分钟，进行化学气相沉积。沉积完毕后停止载气的通入，自然降温至室温，将沉积有Bi2O2Se薄膜的(La,Sr)(Al,Ta)O3(001)基底取出，即得到本发明提供的层状Bi2O2Se半导体单晶薄膜。

[0069] 图2为该实施例制备所得晶圆级Bi2O2Se半导体单晶薄膜的基底(La,Sr)(Al,Ta)O3(001)晶体结构图；由图可知，Bi2O2Se(001)与(La,Sr)(Al,Ta)O3(001)具有完美契合的晶格常数，Bi2O2Se在(La,Sr)(Al,Ta)O3(001)上外延方式为共格外延生长；

[0070] 图3是该实施例中所得Bi2O2Se单晶薄膜生长光学照片；由图可知，所得Bi2O2Se薄膜为晶圆级连续均一薄膜；晶圆直径为2英寸；

[0071] 图8是该实施例中所得Bi2O2Se薄膜高分辨XRD(HRXRD)表征图片；由图可知，所得晶圆级Bi2O2Se薄膜为单晶薄膜；所得Bi2O2Se二维晶体的结晶性非常良好，其与生长基底为共格生长。