一种电子器件介电衬底的表面修饰方法与流程

本发明属于电子器件技术领域，具体涉及电子器件介电衬底的表面修饰方法。

背景技术：

在过去的几十年里，随着现代电子技术的快速发展以及提高设备计算能力的需求，提高载流子迁移率以及降低界面热阻变得非常重要。电子器件中电荷转移发生在介电层与半导体材料层之间，同时在该界面也会产生焦耳热。因此，介质界面在改善器件迁移率以及热耗散性是非常重要的。然而到目前为止还很少有通过修饰介质界面的方法同时兼顾到提高迁移率和热耗散性。

六方氮化硼薄膜是一种类石墨烯材料，氮原子和硼原子通过sp²杂化构成六方点阵蜂窝状二维结构。它是一种宽带隙绝缘体，具有良好的机械强度、电绝缘性、导热性、化学稳定性。因此，氮化硼在作为保护层以及介电层方面有广泛的应用。目前，无催化剂化学气相沉积法生长六方氮化硼薄膜，需要较高的生长温度高导致高能耗高成本。等离子体化学气相沉积虽然在低温下能够生长六方氮化硼，但是产物呈现无定型颗粒状，无序状或者三维结构的六方氮化硼。目前，在低温下非催化生长大面积的二维结构六方氮化硼薄膜仍然很困难。此外，虽然目前已经有很多工作将六方氮化硼应用于介电表面提高电子器件迁移率，但是还没有将其应用于半导体/介电衬底界面提高热耗散性能的先例。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种能够提高器件在高功率下的稳定性的电子器件介电衬底的表面修饰方法。

我们发现等离子体化学气相沉积法生长过程中，控制前驱体浓度能够实现六方氮化硼生长和刻蚀的可逆平衡，从而在该可逆反应的准平衡条件下生长出高质量的二维六方氮化硼薄膜。本发明提供的等离子体修饰技术除了在介电衬底表面修饰二维六方氮化硼薄膜以外，还能够共型地在具有三维结构的介电衬底表面修饰二维六方氮化硼薄膜。本发明能够提高电子器件的载流子迁移率，同时能够降低半导体和介电层界面的接触热阻，从而提高器件在高功率下的稳定性。

本发明提供的电子器件介电衬底的表面修饰方法，具体步骤如下：

第一步，将干净的介电衬底放置在等离子体化学气相沉积系统的反应腔体内；系统通入载气并控制气压在1mtorr~100torr范围，加热至200~800℃，缓慢通入反应前驱体；

第二步，在材料的生长区域施加等离子体，功率为0.1～1000瓦特，持续时间为1～200分钟；优选功率为1～500瓦特，持续时间为20～100分钟；

第三步，停止加热，自然冷却至室温，介电衬底表面得到二维结构的六方氮化硼薄膜。

修饰了六方氮化硼薄膜的介电衬底，可直接用于制备电子器件。

其中，二维结构的六方氮化硼薄膜的厚度在1-100nm之间，优选厚度为20-100nm。

其中，所述的载气选自氢气、氩气、氮气、氧气、氦气、空气，以及上述气体的混合气体。

其中，所述的介电衬底为带有氧化层的硅衬底、云母、石英、氮化硅、二氧化铪、三氧化二铝以及带有三维结构的上述介电衬底。

其中，所述的等离子体法生长六方氮化硼薄膜的前驱体为n2，bnh6,nh3,bh3,b3n3h6,bnh4，bh2bh2等具有硼元素和氮元素的分子。

其中，所述的反应前驱体通入方式为：气态前驱体通过气体流量计通入反应腔体；固态前驱体放入通过加热缓慢升华的方式通入反应腔体；液态前驱体放入通过加热挥发或载气带入的方式通入反应腔体。

其中，所述的等离子体法修饰衬底表面需要精确控制前驱体浓度，范围为每分钟通入0.0001-10mol的硼氮源，达到等离子体气相沉积过程中生长与刻蚀的准平衡，实现二维结构的六方氮化硼薄膜在介电表面的非催化大面积生长。

其中，所述的电子器件包括场效应晶体管、发光二极管、光电传感器、化学传感器等具有介电层和半导体材料界面的电学元件。所述的半导体材料为过渡金属二硫化物、石墨烯等二维材料，硅、锗、硒、氮化镓、砷化镓、磷化镓、磷化铟等无机半导体材料，以及并五苯、金属酞菁、金属卟啉、聚噻吩等有机半导体材料。

本发明相对于现有方法的有点在于：（1）技术方法简便易操作，成本低，能够实现大面积修饰；（2）能够共型地在具有三维结构的介电表面修饰二维六方氮化硼薄膜；（3）该技术能够提高电子器件的载流子迁移率，降低半导体和介电层界面的接触热阻。

附图说明

图1是实施例1中生长二维六方氮化硼薄膜的拉曼（raman）光谱以及x射线光电子能谱。其中，左图为六方氮化硼的拉曼光谱，中图为硼原子的x射线光电子能谱，右图为氮原子的x射线光电子能谱。

图2是实施例1中硒化钨材料的原子力（afm）的图谱，其中，（a）为形貌图，（b）为拉曼（raman）光谱，（c）为荧光（pl）光谱。

图3是本发明中所述的场效应晶体管示意图。

图4是实施例1中修饰二维六方氮化硼薄膜的衬底制备的二硒化钨场效应晶体管的转移特性曲线，以及没有修饰二维六方氮化硼薄膜的衬底制备的二硒化钨场效应晶体管的转移特性曲线。

图5是实施例1中界面热阻测试相关数据。

图6是实施例2中界面热阻测试相关数据。

图7是实施例3中带有三维结构的sio2/si衬底生长二维六方氮化硼薄膜后的扫描电子显微镜图像以及x射线光电子能谱。其中，（a）为一种三维sio2/si衬底扫描电子显微镜图，（b）为a衬底上生长的六方氮化硼中硼原子的x射线光电子能谱，（c）为a衬底上生长的六方氮化硼中氮原子的x射线光电子能谱，（d）为另一种三维sio2/si衬底扫描电子显微镜图，（e）为d衬底上生长的六方氮化硼中硼原子的x射线光电子能谱，（f）为d衬底上生长的六方氮化硼中氮原子的x射线光电子能谱。

图中标号：1金电极；2硒化钨；3六方氮化硼薄膜；4绝缘层；5栅极。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步介绍本发明。

实施例1：

第一步，首先准备一块1cm×1cmp型重掺杂硅片，表面有一层300nm后二氧化硅。用异丙醇和去离子水超声（100瓦清洗60分钟）清洗干净。然后将干净硅片放置在等离子体化学气相沉积系统中；

第二步，将等离子体化学气相沉积系统抽真空到10^-3torr，然后将装置中通入稳定的氩气与氢气比为100sccm/10sccm的气流，再开始加热；

第三步，等离子体化学气相沉积系统加热至500℃，同时将bnh6前驱体缓慢加热至110℃升华；

第四步，在材料的生长区域施加等离子体强度，功率强度为30瓦特，持续时间为30分钟；

第五步，关闭加热电源，自然冷却至室温，在带有二氧化硅的硅片表面得到二维六方氮化硼薄膜（图1）；

第六步，将修饰二维六方氮化硼的衬底放置在化学气相沉积系统中生长二维二硒化钨材料（图3）；

第七步，直接用第六步制得的材料制备场效应晶体管具体构造步骤如下：（1）用电子束曝光和热蒸镀方法在二维硒化钨上制备电极对，所述电极对为金电极，与二维硒化钨材料连接，厚度为30nm。场效应晶体管结构如图3所示。（2）测量场效应晶体管的电学性质。采用六方氮化硼修饰衬底的场效应晶体管迁移率为77cm²v^-1s^-1，明显高于在没有六方氮化硼修饰衬底的场效应晶体管，迁移率1.4cm²v^-1s^-1。图4为转移特性曲线。(3)测量场效应晶体管的散热性能。测试数据如图5所示。采用六方氮化硼修饰后，二硒化钨与介电衬底的界面热阻减小了(4.55±0.25)×10^-8m²kw^-1。

实施例2：

按照实施例1中的方法，其不同之处在于：第六步，将修饰二维六方氮化硼的衬底放置在化学气相沉积系统中生长二维二硒化钼材料。第七步，测量场效应晶体管的散热性能。测试数据如图6所示。采用六方氮化硼修饰后，二硒化钼与介电衬底的界面热阻减小了(1.21±0.20)×10^-7m²kw^-1。

实施例3：

按照实施例1中第一步至第五步的方法，不同之处在于：使用带有三维结构的sio2/si衬底。通过等离子体化学气相沉积法修饰后，衬底的扫描电子显微镜图像以及六方氮化硼薄膜的x射线光电子能谱如图7所示。