一种AlN-ScN超晶格材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体材料技术领域，尤其涉及一种AlN-ScN超晶格材料及其制备方法。

背景技术

AlScN材料具有良好的压电性质，并且具有铁电性，由于其材料制备过程具有兼容CMOS工艺的优势，AlScN材料近年来得到了广泛研究。由于三元合金AlScN的组成部分AlN、ScN的各自稳定构型分别为纤锌矿、岩盐矿结构，AlScN合金随金属组分的比例变化而呈现不同晶相。由于晶相直接决定着材料的电子结构性质，如何实AlScN合金晶相的精确控制，对材料实际应用具有十分重要的意义。

目前AlScN材料的晶相调控采用金属阳离子组分控制的方法，认为高Al组分的AlScN呈现与AlN类似的纤锌矿结构，高Sc组分的AlScN呈现与ScN类似的岩盐矿结构。这种方法在Al、Sc组分相近时不能对AlScN晶相实现很好的控制。

针对AlScN材料生长过程中晶相控制能力的不足，有必要对此进行改进。

发明内容

本发明提供了一种AlN-ScN超晶格材料及其制备方法，以解决或至少部分解决现有技术中存在的缺陷。

第一方面，本发明提供了一种AlN-ScN超晶格材料，包括：

衬底，所述衬底表面依次交替设有AlN层、ScN层；

其中，所述AlN层包括多个依次叠加的AlN薄膜层，所述ScN层包括多个依次叠加的ScN薄膜层；

所述AlN薄膜层的叠加次数为1～3次；

所述ScN薄膜层的叠加次数为1～3次。

优选的是，所述的AlN-ScN超晶格材料，所述AlN薄膜层的厚度为0.2～0.3nm；

所述ScN薄膜层的厚度为0.2～0.3nm。

优选的是，所述的AlN-ScN超晶格材料，所述AlN层、ScN层交替次数为3～15次。

优选的是，所述的AlN-ScN超晶格材料，还包括二维材料插入层，所述二维材料插入层位于所述衬底表面；

所述AlN层、ScN层依次交替设于所述二维材料插入层表面；

所述二维材料插入层的材料包括石墨烯、WS

优选的是，所述的AlN-ScN超晶格材料，所述二维材料插入层的厚度为50～100nm。

优选的是，所述的AlN-ScN超晶格材料，所述衬底包括蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底、ScN衬底中的任一种。

第二方面，本发明还提供了一种所述的AlN-ScN超晶格材料的制备方法，包括以下步骤：

提供衬底；

在所述衬底表面沉积依次交替沉积得到AlN薄膜、ScN薄膜以得到依次交替的AlN层、ScN层；

对所得材料退火，即得到AlN-ScN超晶格材料；

或，所述的AlN-ScN超晶格材料的制备方法，包括以下步骤：

提供衬底；

在所述衬底表面沉积二维材料插入层；

在所述二维材料插入层表面依次交替沉积得到AlN薄膜、ScN薄膜以得到依次交替的AlN层、ScN层；

对所得材料退火，即得到AlN-ScN超晶格材料。

优选的是，所述的AlN-ScN超晶格材料的制备方法，退火温度为800～1200℃、退火时间为1～3h。

优选的是，所述的AlN-ScN超晶格材料的制备方法，以NH

以NH

优选的是，所述的AlN-ScN超晶格材料的制备方法，所述二维材料插入层材料为WS

所述二维材料插入层材料为石墨烯，石墨烯采用CVD方法生长，具体包括：以甲烷或乙烯为碳源，以沉积温度为1000℃-1100℃，沉积压强为常压下生长得到石墨烯。

本发明的相对于现有技术具有以下有益效果：

1、本发明的AlN-ScN超晶格材料的制备方法，通过控制AlN薄膜层、ScN薄膜层的叠加层数，结合提供范德华相互作用的二维材料插入层以及高温退火，得到AlN-ScN超晶格材料。具体的，基于密度泛函理论，对AlN-ScN超晶格结构的不同晶相进行势能面扫描，确定不同AlN薄膜层、ScN薄膜层的叠加层数条件下的最稳定晶相；进行AlN薄膜层、ScN薄膜层的叠加层数控制的AlN-ScN超晶格结构生长；衬底表面覆盖二维材料，进行范德华外延，保证外延层具大的晶格弛豫自由度；材料生长完毕后进行高温退火，使亚稳态晶相转换到稳态晶相；基于上述方案实现AlN-ScN的晶相控制的优势在于，可以实现大范围Al/Sc组分比的可控晶相AlN-ScN材料，实现纤锌矿结构、岩盐矿结构、以及纤锌矿-岩盐矿混合相结构，三种超晶格材料的调控，并且可以实现一种新的纤锌矿-岩盐矿混合结构AlN-ScN材料；

2、本发明的AlN-ScN超晶格材料的制备方法，通过调控AlN薄膜层、ScN薄膜层的叠加层数，得到了AlN

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明其中一个实施例中AlN-ScN超晶格材料的结构示意图；

图2为本发明另一个实施例中AlN-ScN超晶格材料的结构示意图；

图3是以实施例1～3中制备的AlN

图4为实施例1～6中不同实施例制备的AlN

图5为实施例6中得到的AlN

图6为实施例6中得到的AlN

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，如“上”等指示方位或位置的关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以下分别进行详细说明。需说明的是，以下实施例的描述顺序不作为对实施例优选顺序的限定。另外，在本申请的描述中，术语“包括”是指“包括但不限于”。本发明的各种实施例可以以一个范围的型式存在；应当理解，以一范围型式的描述仅仅是因为方便及简洁，不应理解为对本发明范围的硬性限制；因此，应当认为所述的范围描述已经具体公开所有可能的子范围以及该范围内的单一数值。例如，应当认为从1到6的范围描述已经具体公开子范围，例如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6等，以及所数范围内的单一数字，例如1、2、3、4、5及6，此不管范围为何皆适用。另外，每当在本文中指出数值范围，是指包括所指范围内的任何引用的数字(分数或整数)。

本发明提供了一种AlN-ScN超晶格材料，如图1所示，包括：

衬底1，衬底1一侧面依次交替设有AlN层3、ScN层4；

其中，AlN层3包括多个依次叠加的AlN薄膜层31，ScN层包括多个依次叠加的ScN薄膜层41。

需要说明的是，本发明的AlN-ScN超晶格材料包括，衬底1，衬底1表面依次交替设置的AlN层3、ScN层4；其中，AlN层3包括多个依次叠加的AlN薄膜层31，ScN层包括多个依次叠加的ScN薄膜层41；AlN薄膜层31的叠加次数为1～3次；ScN薄膜层41的叠加次数为1～3次；具体的，AlN薄膜层31的叠加次数为1次、2次、3次，即1个、2个或3个AlN薄膜层31依次叠加形成AlN层3；ScN薄膜层41的叠加次数为1次、2次、3次，即1个、2个或3个ScN薄膜层41依次叠加形成ScN层4。

在一些实施例中，如图2所示，AlN-ScN超晶格材料，包括：

衬底1；

二维材料插入层2，其位于衬底1一侧面；

二维材料插入层2远离衬底1一侧面依次交替设有AlN层3、ScN层4；

其中，AlN层3包括多个依次叠加的AlN薄膜层31，ScN层包括多个依次叠加的ScN薄膜层41。

在一些实施例中，AlN薄膜层31的厚度为0.2～0.3nm；优选的，AlN薄膜层31的厚度为0.25nm。

在一些实施例中，ScN薄膜层41的厚度为0.2～0.3nm；优选的，ScN薄膜层41的厚度为0.25nm。

在一些实施例中，AlN层3、ScN层4交替次数为3～15次；优选的，AlN层3、ScN层4交替次数为5～6次。进一步，优选的AlN层3、ScN层4交替次数为5次，AlN层/ScN层表示交替1次，AlN层3、ScN层4交替次数为5次可表示为：AlN层/ScN层/AlN层/ScN层/AlN层/ScN层/AlN层/ScN层/AlN层/ScN层。

在一些实施例中，二维材料插入层2的材料包括石墨烯、WS

具体的，二维材料插入层选择为石墨烯，利用其与外延层的弱相互作用，为外延层提供大的面内晶格弛豫自由度。二维材料插入层选择为WS

在一些实施例中，二维材料插入层2的厚度为50～100nm。

在一些实施例中，衬底1包括蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底、ScN衬底中的任一种。

具体的，ScN衬底为111晶面的ScN作为衬底。

在一些实施例中，衬底1的厚度为1～10μm。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种上述的AlN-ScN超晶格材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、提供衬底；

S2、在衬底表面沉积依次交替沉积得到AlN薄膜、ScN薄膜以得到依次交替的AlN层、ScN层；

S3、对所得材料退火，即得到AlN-ScN超晶格材料；

或，的AlN-ScN超晶格材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、提供衬底；

S2、在衬底表面沉积二维材料插入层；

S3、在二维材料插入层表面依次交替沉积得到AlN薄膜、ScN薄膜以得到依次交替的AlN层、ScN层；

S4、对所得材料退火，即得到AlN-ScN超晶格材料。

本发明的AlN-ScN超晶格材料的制备方法，通过控制AlN薄膜层、ScN薄膜层的叠加层数，结合提供范德华相互作用的二维材料插入层以及高温退火，得到AlN-ScN超晶格材料。具体的，基于密度泛函理论，对AlN-ScN超晶格结构的不同晶相进行势能面扫描，确定不同AlN薄膜层、ScN薄膜层的叠加层数条件下的最稳定晶相；进行AlN薄膜层、ScN薄膜层的叠加层数控制的AlN-ScN超晶格结构生长；具体的，步骤S2中，衬底表面覆盖二维材料，进行范德华外延，保证外延层具大的晶格弛豫自由度；在步骤S4中，材料生长完毕后进行高温退火，使亚稳态晶相转换到稳态晶相；基于上述方案实现AlN-ScN的晶相控制的优势在于，可以实现大范围Al/Sc组分比的可控晶相AlN-ScN材料，实现纤锌矿(wz)结构、岩盐矿(rs)结构、以及纤锌矿-岩盐矿混合相(mix)结构，三种超晶格材料的调控，并且可以实现一种新的纤锌矿-岩盐矿混合结构AlN-ScN材料。

在一些实施例中，退火温度为800～1200℃、退火时间为1～3h。

在一些实施例中，采用原子层沉积、分子束外延沉积方法沉积得到AlN薄膜、ScN薄膜。

具体的，步骤S3中，在二维材料插入层表面依次交替沉积得到AlN薄膜、ScN薄膜；其中，AlN薄膜即包括1～3个依次叠加AlN薄膜层，其中，每个AlN薄膜层的厚度为0.2～0.3nm；ScN薄膜即包括1～3个依次叠加ScN薄膜层，其中，每个ScN薄膜层的厚度为0.2～0.3nm。

具体的，采用分子束外延沉积方法，以NH

具体的，采用分子束外延沉积方法，以NH

在一些实施例中，以化学气相沉积法沉积得到二维材料插入层。

在一些实施例中，石墨烯、WS

在一些实施例中，二维材料插入层的材料为WS

在一些实施例中，二维材料插入层的材料为WSe

在一些实施例中，二维材料插入层的材料为WTe

在一些实施例中，石墨烯采用CVD方法(化学气相沉积法)生长，具体包括：碳源为甲烷或乙烯；沉积温度为1000℃-1100℃，具体为1050℃；沉积压强为常压；载气为由氩气和氢气组成的混合气，其中氩气与氢气的流量比为1-10：1，具体为5：1；氩气的流量具体为100-1000sccm，具体为500sccm；氢气的流量为50-500sccm，具体为100sccm；碳源的流量为10-50sccm，具体可为20sccm。

在一些实施例中，制备得到的AlN-ScN超晶格材料中AlN层包括2个依次叠加的AlN薄膜层，ScN层包括1个ScN薄膜层，且该材料为岩盐矿(rs)结构，记为rs相的AlN

在一些实施例中，制备得到的AlN-ScN超晶格材料中AlN层包括2个依次叠加的AlN薄膜层，ScN层包括1个ScN薄膜层，且该材料为纤锌矿(wz)结构，记为wz相的AlN

在一些实施例中，制备得到的AlN-ScN超晶格材料中AlN层包括2个依次叠加的AlN薄膜层，ScN层包括1个ScN薄膜层，且该材料为纤锌矿-岩盐矿混合相(mix)结构，记为mix相的AlN

在一些实施例中，制备得到的AlN-ScN超晶格材料中AlN层包括1个的AlN薄膜层，ScN层包括3个ScN薄膜层，且该材料为岩盐矿(rs)结构，记为rs相的AlN

在一些实施例中，制备得到的AlN-ScN超晶格材料中AlN层包括1个的AlN薄膜层，ScN层包括3个ScN薄膜层，且该材料为纤锌矿(wz)结构，记为wz相的AlN

在一些实施例中，制备得到的AlN-ScN超晶格材料中AlN层包括1个的AlN薄膜层，ScN层包括3个ScN薄膜层，且该材料为纤锌矿-岩盐矿混合相(mix)结构，记为mix相的AlN

以下进一步以具体实施例说明本申请的AlN-ScN超晶格材料及其制备方法。本部分结合具体实施例进一步说明本发明内容，但不应理解为对本发明的限制。如未特别说明，实施例中所采用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本领域常规试剂、方法和设备。

实施例1

本申请实施例提供了一种AlN-ScN超晶格材料，包括：

衬底，衬底表面依次交替设有AlN层、ScN层；

其中，AlN层包括2个依次叠加的AlN薄膜层，ScN层包括1个ScN薄膜层；

AlN薄膜层的厚度为0.25nm；

ScN薄膜层的厚度为0.25nm；

AlN层、ScN层交替次数为5次；

衬底为111晶面的ScN衬底，衬底的厚度为1μm。

上述AlN-ScN超晶格材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、提供ScN衬底；

S2、在ScN衬底表面依次交替沉积得到AlN薄膜、ScN薄膜以得到依次交替的AlN层、ScN层；

其中，采用分子束外延沉积方法，以NH

S3、对步骤S3所得材料于1050℃下退火2h，即得到AlN-ScN超晶格材料(记为AlN

实施例2

本申请实施例提供了一种AlN-ScN超晶格材料，包括：

衬底；

二维材料插入层，其位于衬底一侧面；

二维材料插入层远离衬底一侧面依次交替设有AlN层、ScN层；

其中，AlN层包括2个依次叠加的AlN薄膜层，ScN层包括1个ScN薄膜层；

AlN薄膜层的厚度为0.25nm；

ScN薄膜层的厚度为0.25nm；

AlN层、ScN层交替次数为5次；

二维材料插入层的材料为WTe

衬底为蓝宝石衬底，衬底的厚度为1μm。

上述AlN-ScN超晶格材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、提供蓝宝石衬底；

S2、在蓝宝石衬底表面沉积WTe

S3、在二维材料插入层表面依次交替沉积得到AlN薄膜、ScN薄膜以得到依次交替的AlN层、ScN层；其中，采用分子束外延沉积方法，以NH

S4、对步骤S3所得材料于1050℃下退火1h，即得到AlN-ScN超晶格材料(记为AlN

实施例3

本申请实施例提供了一种AlN-ScN超晶格材料，包括：

衬底；

二维材料插入层，其位于衬底一侧面；

二维材料插入层远离衬底一侧面依次交替设有AlN层、ScN层；

其中，AlN层包括2个依次叠加的AlN薄膜层，ScN层包括1个ScN薄膜层；

AlN薄膜层的厚度为0.25nm；

ScN薄膜层的厚度为0.25nm；

AlN层、ScN层交替次数为5次；

二维材料插入层的材料为WS

衬底为蓝宝石衬底，衬底的厚度为1μm。

上述AlN-ScN超晶格材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、提供蓝宝石衬底；

S2、在蓝宝石衬底表面沉积WS

S3、在二维材料插入层表面依次交替沉积得到AlN薄膜、ScN薄膜以得到依次交替的AlN层、ScN层；其中，采用分子束外延沉积方法，以NH

S4、对步骤S3所得材料于1050℃下退火1h，即得到AlN-ScN超晶格材料(记为AlN

实施例4

本申请实施例提供了一种AlN-ScN超晶格材料，包括：

衬底；

二维材料插入层，其位于衬底一侧面；

二维材料插入层远离衬底一侧面依次交替设有AlN层、ScN层；

其中，AlN层包括1个AlN薄膜层，ScN层包括3个依次叠加的ScN薄膜层；

AlN薄膜层的厚度为0.25nm；

ScN薄膜层的厚度为0.25nm；

AlN层、ScN层交替次数为5次；

二维材料插入层的材料为石墨烯、厚度为70nm；

衬底为蓝宝石衬底，衬底的厚度为1μm。

上述AlN-ScN超晶格材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、提供蓝宝石衬底；

S2、在蓝宝石衬底表面沉积石墨烯薄膜，以得到二维材料插入层，其中，沉积石墨烯薄膜具体包括：采用CVD方法，碳源为甲烷，沉积温度为1050℃，沉积压强为常压，载气为由氩气和氢气组成的混合气，其中氩气与氢气的流量比为5：1，氩气的流量为500sccm，氢气的流量为100sccm，碳源的流量为20sccm；

S3、在二维材料插入层表面依次交替沉积得到AlN薄膜、ScN薄膜以得到依次交替的AlN层、ScN层；其中，采用分子束外延沉积方法，以NH

S4、对步骤S3所得材料于1050℃下退火2h，即得到AlN-ScN超晶格材料(记为AlN

实施例5

本申请实施例提供了一种AlN-ScN超晶格材料，包括：

衬底；

二维材料插入层，其位于衬底一侧面；

二维材料插入层远离衬底一侧面依次交替设有AlN层、ScN层；

其中，AlN层包括1个AlN薄膜层，ScN层包括3个依次叠加的ScN薄膜层；

AlN薄膜层的厚度为0.25nm；

ScN薄膜层的厚度为0.25nm；

AlN层、ScN层交替次数为5次；

二维材料插入层的材料为WTe

衬底为蓝宝石衬底，衬底的厚度为1μm。

上述AlN-ScN超晶格材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、提供蓝宝石衬底；

S2、在蓝宝石衬底表面沉积WTe

S3、在二维材料插入层表面依次交替沉积得到AlN薄膜、ScN薄膜以得到依次交替的AlN层、ScN层；其中，采用分子束外延沉积方法，以NH

S4、对步骤S3所得材料于1050℃下退火1h，即得到AlN-ScN超晶格材料(记为AlN

实施例6

本申请实施例提供了一种AlN-ScN超晶格材料，包括：

衬底；

二维材料插入层，其位于衬底一侧面；

二维材料插入层远离衬底一侧面依次交替设有AlN层、ScN层；

其中，AlN层包括1个AlN薄膜层，ScN层包括3个依次叠加的ScN薄膜层；

AlN薄膜层的厚度为0.25nm；

ScN薄膜层的厚度为0.25nm；

AlN层、ScN层交替次数为5次；

二维材料插入层的材料为WSe

衬底为蓝宝石衬底，衬底的厚度为1μm。

上述AlN-ScN超晶格材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、提供蓝宝石衬底；

S2、在蓝宝石衬底表面沉积WSe

S3、在二维材料插入层表面依次交替沉积得到AlN薄膜、ScN薄膜以得到依次交替的AlN层、ScN层；其中，采用分子束外延沉积方法，以NH

S4、对步骤S3所得材料于1050℃下退火2h，即得到AlN-ScN超晶格材料(记为AlN

性能测试

图3是以实施例1～3中制备的AlN

图3中，wz表示AlN

图4为实施例1～6中不同实施例制备的AlN

从图4中可以看出，实施例1～3中得到的AlN

实施例4～6中得到的AlN

图5为实施例6中得到的AlN

从图5中a可以看出，AlN

图6为实施例6中得到的AlN

AlN

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其中，e

本发明中关注AlN

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。