一种提高六方氮化硼膜的导电率实现高效率掺杂的方法

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1.本专利涉及半导体掺杂技术领域，具体涉及一种提高六方氮化硼膜的导电率实现高效率掺杂的简单有效方法，即通过在其表面引入掺杂剂并利用表面电荷转移作用，实现在不破坏晶格的条件下对六方氮化硼膜的高效掺杂，提高六方氮化硼器件的电导率。


背景技术：

2.随着科技与经济的不断发展，一些新型产业如智能物联网、智能无人平台、新能源汽车等蓬勃发展，这就对半导体材料提出了更高的要求，传统的第一代和第二代半导体材料已不能满足科技发展的需要，由此，第三代半导体材料应运而生，其中氮化硼(bn)、金刚石、碳化硅(sic)等材料由于其优异性能而备受关注。
3.氮化硼是一种人工合成的iii-v族二元化合物，b-和n
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有相同数量的电子(1s22s22p2)。bn有多种同分异构体：c-bn(立方氮化硼)、w-bn(纤锌矿氮化硼)、h-bn(六方氮化硼)、r-bn(三方氮化硼)等。其中，c-bn和h-bn以其优异的理化性质得到了许多科研工作者的关注。目前，对于立方氮化硼材料的研究主要集中在其超硬特性方面，而相比之下，h-bn由于其优异性能目前已在多个领域得到广泛应用。h-bn具有低密度、低的热膨胀系数、低介电常数、高热导率、高电阻率、高本征击穿电场、良好的耐腐蚀性、优异的抗氧化性能、润滑性好等优良特性。因此，在机械、冶金、医药、电子等航空航天、国防军工和高新技术的关键领域应用前景良好。
4.h-bn属于六角晶系，其中b、n原子以sp2杂化方式形成强共价键，b、n原子在同一平面内交替排列在正六边形的格点上，呈蜂窝状；而层与层之间以abab方式堆垛，以范德华力相结合，层间的相互作用力较弱。此外，h-bn是一种宽禁带半导体，实验上，纯的h-bn的带隙宽度可以达到5.8ev，且可通过掺杂使其变成n型或p型半导体材料，能够广泛应用于结型器件领域。通过掺杂实现对氮化硼有效的电学调制是充分发挥其独特性能优势的重要途径，半导体掺杂是局部操纵其载流子密度和电导率的过程，是半导体电子器件的关键技术，半导体掺杂技术包括离子注入法和扩散法。在离子注入法中，利用离子在强电场下的加速运动，使待掺入的离子注入到半导体材料中，实现掺杂。但由于离子的能量一般为数万至数十万电子伏，在离子注入的过程中，离子不可避免地与材料中的晶格原子发生碰撞，产生原子位移，导致大量的缺陷，且离子注入之后还需经过退火处理，工艺复杂，掺杂效率不高；在扩散法中，利用高温下杂质原子的热扩散和浓度差，使待掺入的离子扩散到半导体材料中，实现掺杂。但此方法难以准确控制掺杂浓度、结面深度且容易形成横向扩散，掺杂效果不可控，掺杂效率不高。此外，对于宽禁带半导体氮化硼，掺杂进来的杂质很容易成为深能级杂质，将其激发出来所需的激活能很大，不易实现有效掺杂；同时，氮化硼半导体材料在生产、制备过程中，由于工艺、条件的不同，会使得其内部存在或多或少的缺陷，当对其进行掺杂时，掺杂进来的杂质离子很容易被自身的本底缺陷所补偿，同样无法实现高的掺杂效率。因此，如何在不破坏晶格内部结构且考虑到材料自身存在缺陷的情况下，实现对h-bn的简单、有效、可控的掺杂仍是一个亟待解决的问题。
5.表面电荷转移掺杂(surface charge transfer doping,sctd)是根据表面掺杂剂和半导体材料之间的功函数或电负性存在差异，从而在二者界面会产生沿某一方向的电荷(电子或空穴)转移达到调控半导体材料载流子浓度的目的，它能够有效改善半导体材料的光电特性。积聚的空穴或电子往往会被由界面电荷分离而引起的电场束缚在材料的表面上，并因此形成了几个纳米数量级的狭窄空间电荷区域。表面电荷转移掺杂作为一种新型的掺杂技术，具有不损坏晶格结构、掺杂剂选择范围广、便捷高效、易于控制、掺杂工艺简单等优点，可以用来解决上述问题。目前少见关于h-bn的表面电荷转移掺杂技术研究的报道。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明目的在于提供一种提高六方氮化硼膜的导电率实现高效率掺杂的简单有效方法。
7.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
8.本发明提供了一种利用掺杂剂，在不破坏氮化硼晶格的条件下，通过膜表面电荷转移作用，匹配界面功函数，实现表面掺杂的方法，掺杂后的氮化硼背栅mosfet器件，其电导率显著下降3-6个数量级。
9.本发明提供了上述提高六方氮化硼膜的导电率实现高效率掺杂的简单有效方法，包括以下步骤：
10.(1)制备掺杂剂溶液；
11.(2)将制备好的掺杂剂溶液分别均匀旋涂在六方氮化硼膜上。
12.所述步骤1中，溶液的浓度为0.01wt％-0.2wt％。优选的，溶液的浓度为0.015wt％-0.1wt％。
13.所述步骤2中，旋涂速度为1000r/min-3000r/min，旋涂时间为30s-60s，旋涂次数为1次-10次。优选的，旋涂速度为1500r/min-2000r/min，旋涂时间为30s-40s，旋涂次数为2次。
14.相对于现有技术，本发明的有益效果：(1)通过表面电荷转移的掺杂手段在不破坏材料内部晶格结构的条件下,在六方氮化硼膜表面引入掺杂剂，利用膜的表面电荷转移作用对六方氮化硼进行掺杂，通过改善界面功函数的匹配，增加电荷注入效率，提高六方氮化硼器件的导电率；同时可以通过选择掺杂剂种类控制表面电荷在六方氮化硼与掺杂剂之间的转移，实现六方氮化硼的p型或n型掺杂；(2)通过控制掺杂剂溶液浓度和旋涂次数来控制掺杂剂的含量，避免了热蒸发沉积法难以控制掺杂程度的情况；(3)所制备的表面掺杂后的六方氮化硼背栅mosfet器件，其电阻率显著下降3-6个数量级，器件性能优异。(4)该掺杂方法简单易行、绿色环保、安全无害，实现了有效掺杂，为将来六方氮化硼表面电荷转移掺杂技术提供了价值参考。综上，通过这种方法可以很好地进行掺杂量的控制，进而能够很好地调控薄膜的电阻率，对于推动六方氮化硼基器件在电子领域的应用具有重要意义。
附图说明
15.图1为实施例1中(a)0.1wt％的moo3纳米点溶液和(d)0.1wt％的f4-tcnq溶液的光学照片。
16.图2为实施例1中moo3纳米点溶液和f4-tcnq溶液旋涂(2000r/min 30s)在样品表
面的光学图像。
17.图3为实施例1中moo3纳米点溶液和f4-tcnq溶液旋涂(1000r/min 30s)在样品表面的光学图像。
18.图4为实施例1中为实施例1中旋涂2次0.1wt％moo3纳米点溶液的样品eds图谱。
19.图5为实施例1中(a)不同浓度moo3纳米点(b)不同浓度f4-tcnq溶液掺杂样品表面的i-v曲线，插图为器件示意图。
具体实施方式
20.下面结合实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。
21.实施例1
22.制备浓度为0.1wt％的moo3纳米点溶液和f4-tcnq溶液；利用旋涂设备，采用旋涂速度2000r/min，旋涂时间30s，旋涂次数2次的实验参数，将moo3纳米点溶液和f4-tcnq溶液分别旋涂在六方氮化硼薄膜样品表面，实现表面电荷转移掺杂；制备基于掺杂后薄膜样品的背栅mosfet器件。
23.图1(a)为0.1wt％的moo3纳米点溶液和(b)为0.1wt％的f4-tcnq溶液的光学照片。图2和图3为0.1wt％的moo3纳米点溶液和f4-tcnq溶液以不同的旋涂速度分别旋涂在样品表面的光学图像，可见掺杂剂在六方氮化硼的表面均匀一致连续,附着完整。图4为旋涂2次0.1wt％moo3纳米点溶液的样品eds图谱，可见六方氮化硼的表面附着的moo3非常均匀。从图5(a)不同浓度moo3纳米点溶液(b)不同浓度f4-tcnq溶液掺杂样品表面的i-v曲线可知，随着掺杂剂的浓度不断增加，器件的表面电流不断增加，表明电荷注入效率增加，可见在同一偏压下，掺杂后的六方氮化硼背栅mosfet器件的电阻率下降显著。
24.实施例2
25.将实施例1中的溶液浓度由0.1wt％改为0.2wt％，其他步骤与实施例1相同，可实现类似于实施例1中对六方氮化硼薄膜样品掺杂。
26.实施例3
27.将实施例1中的溶液浓度由0.1wt％稀释为0.05wt％，其他步骤与实施例1相同，可实现类似于实施例1中对六方氮化硼薄膜样品有效掺杂。
28.实施例4
29.将实施例1中的溶液浓度由0.1wt％稀释为0.03wt％，其他步骤与实施例1相同，可实现类似于实施例1中对六方氮化硼薄膜样品有效掺杂。
30.实施例5
31.将实施例1中的溶液浓度由0.1wt％稀释为0.015wt％，其他步骤与实施例1相同，可实现类似于实施例1中对六方氮化硼薄膜样品有效掺杂。
32.实施例6
33.将实施例1中的溶液浓度由0.1wt％稀释为0.01wt％，其他步骤与实施例1相同，可实现类似于实施例1中对六方氮化硼薄膜样品掺杂。
34.实施例7
35.将实施例1中的旋涂次数改成1次，其他步骤与实施例1相同，可实现类似于实施例
1中对六方氮化硼薄膜样品的旋涂。
36.实施例8
37.将实施例1中的旋涂次数改成4次，其他步骤与实施例1相同，可实现类似于实施例1中对六方氮化硼薄膜样品的旋涂。
38.实施例9
39.将实施例1中的旋涂次数改成6次，其他步骤与实施例1相同，可实现类似于实施例1中对氮化硼薄膜样品的旋涂。
40.实施例10
41.将实施例1中的旋涂次数改成10次，其他步骤与实施例1相同，可实现类似于实施例1中对六方氮化硼薄膜样品的旋涂。
42.实施例11
43.将实施例1中的旋转速度改为1000r/min，其他步骤与实施例1相同，可实现类似于实施例1中对六方氮化硼薄膜样品的均匀旋涂。
44.实施例12
45.将实施例1中的旋转速度改为2500r/min，其他步骤与实施例1相同，可实现类似于实施例1中对六方氮化硼薄膜样品的旋涂。
46.实施例13
47.将实施例1中的旋转速度改为3000r/min，其他步骤与实施例1相同，可实现类似于实施例1中对六方氮化硼薄膜样品的旋涂。
48.实施例14
49.将实施例1中的旋转时间改为40s，其他步骤与实施例1相同，可实现类似于实施例1中对六方氮化硼薄膜样品的均匀旋涂。
50.实施例15
51.将实施例1中的旋转时间改为50s，其他步骤与实施例1相同，可实现类似于实施例1中对六方氮化硼薄膜样品的旋涂。
52.实施例16
53.将实施例1中的旋转时间改为60s，其他步骤与实施例1相同，可实现类似于实施例1中对六方氮化硼薄膜样品的旋涂。
54.对比例1
55.将实施例1中的掺杂剂溶液浓度改为0.3wt％，其他条件保持不变，操作步骤与实施例1相同，由于溶剂浓度过高，导致表面掺杂剂层分散不均匀，无法实现上述有效掺杂。
56.对比例2
57.将实施例1中的掺杂剂溶液浓度改为0.005wt％，其他条件保持不变，操作步骤与实施例1相同，由于溶剂浓度过低，导致表面掺杂剂不连续，无法实现上述有效掺杂。
58.对比例3
59.将实施例1中的旋涂次数改为12次，其他条件保持不变，操作步骤与实施例1相同，旋涂次数过多，导致最终表面掺杂剂厚度过厚，无法实现有效的界面电荷传导。
60.对比例4
61.将实施例1中的旋涂速度改为3500r/min，其他条件保持不变，操作步骤与实施例1
相同，由于旋涂速度过高，无法实现上述均匀旋涂，导致表面掺杂剂不均匀，无法实现上述有效掺杂。
62.对比例5
63.将实施例1中的旋涂速度改为800r/min，其他条件保持不变，操作步骤与实施例1相同，由于旋涂速度过低，无法实现上述均匀旋涂，导致表面掺杂剂不均匀，无法实现上述有效掺杂。
64.对比例6
65.将实施例1中的旋涂时间改为20s，其他条件保持不变，操作步骤与实施例1相同，旋涂层过薄，无法实现上述均匀旋涂。
66.对比例7
67.将实施例1中的旋涂时间改为70s，其他条件保持不变，操作步骤与实施例1相同，旋涂层过厚，无法实现上述均匀旋涂，无法实现有效的界面电荷传导。
68.本发明提供了一种提高六方氮化硼膜的导电率实现高效率掺杂的简单有效方法，并不仅仅限于说明书和实施方式中所描述的具体实验操作。故凡依本发明申请专利范围所述的操作流程及原理所做的等效变化/变动或顺序改变，均应包括于本发明专利的保护范围内。

技术特征：
1.一种提高六方氮化硼膜的导电率实现高效率掺杂的方法，其特征在于，在不破坏材料内部晶格结构的条件下,在六方氮化硼膜表面引入掺杂剂，利用膜的表面电荷转移作用对六方氮化硼进行掺杂，通过改善界面功函数的匹配，增加电荷注入效率，提高六方氮化硼器件的导电率；同时可以通过选择掺杂剂种类控制表面电荷在六方氮化硼与掺杂剂之间的转移，实现六方氮化硼的p型或n型掺杂。2.根据权利要求1所述的一种提高六方氮化硼膜的导电率实现高效率掺杂的方法，其特征在于，所述表面掺杂剂包括moo3纳米点、f4-tcnq溶液。3.根据权利要求1所述的一种提高六方氮化硼膜的导电率实现高效率掺杂的方法，其特征在于，六方氮化硼膜可以是单晶膜、多晶膜、单层或少层原子层薄膜和厚膜。4.根据权利要求1所述的一种提高六方氮化硼膜的导电率实现高效率掺杂的方法，其特征在于，在六方氮化硼薄膜表面引入掺杂剂包括以下步骤：(1)制备掺杂剂溶液；(2)将制备好的掺杂剂溶液分别均匀旋涂在六方氮化硼膜上。5.根据权利要求4所述的一种提高六方氮化硼膜的导电率实现高效率掺杂的方法，其特征在于，通过控制掺杂剂溶液浓度和旋涂次数来控制掺杂剂的含量，实现六方氮化硼膜的表面电荷转移掺杂。6.根据权利要求4所述的一种提高六方氮化硼膜的导电率实现高效率掺杂的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，溶液的浓度是0.01wt％-0.2wt％。7.根据权利要求4所述的一种提高六方氮化硼膜的导电率实现高效率掺杂的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，旋涂速度1000r/min-3000r/min，旋涂时间30s-60s，旋涂次数1次-10次。8.根据权利要求1-7任一所述的一种提高六方氮化硼膜的导电率实现高效率掺杂的方法，其特征在于，所制备的表面掺杂后的六方氮化硼背栅mosfet器件，其电阻率显著下降3-6个数量级，器件性能优异。9.根据权利要求1-7任一所述的一种提高六方氮化硼膜的导电率实现高效率掺杂的方法，得到的六方氮化硼表面电荷转移掺杂的应用。

技术总结
本专利涉及半导体掺杂技术领域，具体涉及一种提高六方氮化硼膜的导电率实现高效率掺杂的方法。该方法包括在六方氮化硼膜表面引入掺杂剂，利用膜的表面电荷转移作用对氮化硼进行掺杂，通过改善界面功函数的匹配，增加电荷注入效率，提高六方氮化硼器件的导电率；同时可以通过选择掺杂剂种类控制表面电荷在六方氮化硼与掺杂剂之间的转移，实现六方氮化硼的p型或n型掺杂；所制备的六方氮化硼背栅MOSFET器件，其电阻率显著下降，器件性能优异。本发明方法操作简单，安全环保，通过选择掺杂剂种类、控制掺杂剂浓度，可实现高效电荷转移，以达到掺杂的目的，对于六方氮化硼基电子器件具有重要意义。要意义。要意义。


技术研发人员：殷红 赵宇涛 康允
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/8/9