[發明專利]一種直接生長原子尺度二維半導體異質結的裝置及方法

在審

• 申請號: 201410752136.8
• 申請日: 2014-12-09
• 公開（公告）號: CN104538288A
• 公開（公告）日: 2015-04-22
• 發明（設計）人: 胡平安;張甲;陳曉爽;鄭威;馮偉;劉光波
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H01L21/04
• 分類號: H01L21/04;H01L21/67;B82Y40/00
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 高媛

技術領域

本發明屬于機械制造和材料科學工程技術領域，涉及一種直接生長原子尺度二維半導體異質結的裝置及方法。

背景技術

二維材料是最近十年才發展起來一類重要的材料，其厚度通常從幾分之一納米到幾十納米，平面尺寸從幾十納米至幾百米不等，跨越微觀、介觀和宏觀三個尺度。二維材料由于在某一維度上具有納米級的尺度，使其具有許多優異的物理和化學性質，如二維材料的量子尺寸效應，量子限域效應，載流子平面傳輸，材料表面無懸鍵，組成材料的原子集中在其表面，比表面積大等。

2004年由英國曼徹斯特大學A.K.Geim和K.S.Novoselov教授發現的石墨烯是二維材料的典型代表，單層厚度僅為0.335nm。石墨烯獨特的二維結構賦予了其優異的電學、光學、力學和熱學性能，如高速載流子遷移率(2×10⁵cm²/V.s)，約為商用硅半導體的電子遷移率的140倍，砷化鎵的20倍；高透明性(550nm時單層的透光率達97.3％)；超高強度(楊氏模量達1100GPa，斷裂強度達125GPa)；超高的比表面積(2630m²/g)；超高的熱導率(5300W/m.K)。石墨烯這些優異的物理和化學性質使其在微納電子器件、能源轉化與存儲、航空航天、復合材料等方面擁有廣闊的應用前景。2011年，B.Radisavljevic等人剝離制備了類石墨烯的二維層狀原子晶體二硫化鉬(MoS₂)，單層厚度為0.63nm，禁帶寬度1.8eV。帶隙的出現使得MoS₂對光具有很好的響應，由其構筑的晶體管電流開關比高達10⁸，亞閥值斜率可達74mV/dev，光響應度可達2200A/W，接近硅材料的理論值。隨著研究的深入，類似的二硫化鎢(WS₂)、二硒化鉬(MoSe₂)、二硒化鎢(WSe₂)等二維層狀半導體化合物逐漸被發現，而且表現出與二硫化鉬類似的光電子學性質。

然而單一二維半導體在某些應用方面也存在著一定問題。例如石墨烯在室溫條件下具有超快的光電響應，其響應速度可達1.5ps，且具有寬頻響應特性，可實現在0.3～6μm波段范圍工作的光電子器件。但石墨烯光電響應度僅為6.1mA/W，且通過引入電子陷阱和空洞之后，也只提高到8.61A/W；而且石墨烯為零帶隙半金屬性，沒有電子學意義上的“開”和“關”，嚴重制約其在未來電子電路中的應用。因此，如何調控石墨烯的電子特性和禁帶寬度，一直是石墨烯研究領域的關鍵性課題。雖然諸如MoS₂這類石墨烯二維材料具有一定的帶隙，較高的開關比和較高的光響應度；但也存在著一些缺點，如其電子遷移率較低(0.1～10cm²/V.s)，響應速度慢，一般在毫秒量級。如何提高此類二維半導體原子晶體的載流子遷移率，也是目前急需解決的研究課題。

鑒于此，研究者們試圖將兩種二維材料組合形成平面或垂直的異質結結構，充分利用兩種材料優勢，來獲得性能更好的器件。在這方面，Huang等人采用物理氣相沉積法，在水平放置的石英管中，以二硒化鉬和二硒化鎢粉末為前驅物，在帶有二氧化硅層表面650～750℃下生長出了平面二硒化鉬/二硒化鎢異質結。二硒化鉬和二硒化鎢界面平穩過渡并未產生缺陷和晶格失調等，同時該異質結材料表現出增強的光致發光性質。Gong等人采用化學氣相沉積法，在水平放置的石英管中，以硫粉和三氧化鉬為前驅物，在表面放置單質鎢粉和碲粉的硅片上生長出垂直的二硫化鎢/二硫化鉬異質結，同時還有少量產物為二者的水平異質結。所形成的異質結為p-n結，在二極管、太陽能電池、邏輯器件等方面具有廣泛的應用前景。上述這些方法可以制備出一定尺寸的異質結，但該方法隨機性較大、多種反應物質在一起，調控難度大，生長出來的異直接純度較低，一次反應獲得的產品量較少。此外，一些研究者通過先生長出兩種材料，再通過剝離轉移等技術，將兩種材料組合在一起形成異質結。采用這種方法，兩種材料之間僅存在弱的范德華力，載流子在界面會發生嚴重的散射，影響材料器件性能。同時，轉移的過程中不可避免的引入雜質和污染，轉移過程繁瑣，器件的一致性、重復性能都難以保證，制作成本高、周期長。

發明內容

鑒于目前在二維半導體異質結制作方面存在的不足，本發明為直接生長高質量二維半導體異質結材料提供了一種有效、快速、結構簡單的裝置，利用新型反應裝置可以直接在基底表面生長原子尺度的二維半導體異質結。

本發明的目的是通過如下技術方案實現的：