介质衬底上h-BN二维原子晶体的直接生长及其器件应用

基本信息
批准号:61904174
项目类别:青年科学基金项目
资助金额:23.00
负责人:孟军华
学科分类:
依托单位:北京工业大学
批准年份:2019
结题年份:2022
起止时间:2020-01-01 - 2022-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:
关键词:
二维材料表面氮化离子束溅射沉积六方氮化硼光电器件
结项摘要

Two-dimensional (2D) hexagonal boron nitride (h-BN) has attracted considerable attention due to its unique structure, novel properties and potential applications. Transition metal substrates are usually used for the growth of 2D h-BN layers and a complex transfer process is often required. Therefore, the direct growth of 2D h-BN on dielectric substrates is extremely important for its practical application. However, due to the lack of catalytic activity of the dielectric substrates, it is difficult to nucleate h-BN on dielectric substrates and its crystalline quality is poor. In the present project, we propose to synthesis 2D h-BN on commonly used c-sapphire and SiO2/Si substrate by ion beam sputtering deposition (IBSD) technique. On the one hand, to promote the nucleation of h-BN, the dielectric substrates are bombarded by the in situ N+ ion beam, which is called as surface nitridation. On the other hand, the h-BN target is sputtered by an N+ ion beam to avoid the deficiency of N atoms, improving the quality of h-BN layer. The goal of the present project is synthesizing high quality and wafer-scale 2D h-BN layer on dielectric substrates, and elucidating the growth mechanism of h-BN on dielectric substrates. Based on the high quality h-BN film, we will fabricate the UV photodetectors and field effect transistor to examine the properties of h-BN. The findings of this project will offer a promising approach toward both the basic research and electronic applications of 2D h-BN.

近年来,六方氮化硼(h-BN)二维原子晶体以其独特的结构、优异的性质备受关注。多数h-BN生长在金属衬底上,表征和应用时通常涉及复杂的转移过程。介质衬底上直接生长h-BN则可以避免低效繁琐的转移过程,然而,由于介质衬底缺乏催化活性,导致在其表面上h-BN成核困难、结晶质量有限。. 本项目中,我们拟采用离子束溅射沉积技术,在蓝宝石和SiO2/Si等常用介质衬底上制备h-BN二维原子晶体。通过荷能离子束对衬底表面进行氮化处理,促进h-BN成核;利用氮离子束溅射沉积h-BN,避免生长过程中氮的缺失,提高h-BN结晶质量。通过该项目的实施,我们期望实现介质衬底上高质量、晶圆尺寸h-BN二维原子晶体的可控生长,探明h-BN在介质衬底上的生长机理,并探索其作为栅介质和深紫外光电材料的应用,验证材料性能。因此,该项目的实施对h-BN二维原子晶体的基础研究和光电子学应用都有着十分重要的意义。

项目摘要

六方氮化硼(h-BN)以其独特的结构、优异的光电性质近年来备受关注。多数h-BN生长在金属衬底上,表征和应用时通常涉及复杂的转移过程。介质衬底上直接生长h-BN则可以避免低效繁琐的转移过程,对于大面积光电子学应用具有重要意义。实现介质衬底上高质量h-BN二维原子晶体的直接生长及器件应用是本项目的重要目标。本项目通过衬底表面原位氮化处理结合氮离子束溅射,在c面蓝宝石衬底上直接生长得到结构有序、具有理想化学计量比的h-BN薄膜;在腔室内引入氨气作为生长源,实现了较低温度下高结晶质量的h-BN薄膜的制备;基于介质衬底上直接生长的h-BN薄膜研制了光导型深紫外探测器,相比于转移法制备的器件,直接生长的h-BN器件表现出更好的光电响应特性,同时通过碳掺杂进一步调控载流子输运,使得器件性能达到国际领先水平。此外,在本项目的基础上开展了部分拓展研究,利用脉冲激光沉积技术,在c面蓝宝石衬底上实现了大面积多层h-BN单晶薄膜的直接生长,以及在超宽禁带氧化镓衬底上生长了h-BN,为h-BN的应用奠定了基础。总之,本项目研究突破了介质衬底上生长高质量、晶圆级h-BN的技术壁垒,不仅对于满足深紫外光电探测、关键性衬底等应用需求具有重要科学意义,也为超宽禁带半导体材料发展与应用提供了一定的支撑。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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