[發明專利]一種二維材料半導體薄膜的大規模制備及圖案化方法及二維材料半導體薄膜

有效

• 申請號: 202010537844.5
• 申請日: 2020-06-12
• 公開（公告）號: CN111863624B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發明（設計）人: 朱劍;高香香;尹君;卞剛
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: H01L21/368
• 分類號: H01L21/368;H01L29/24;H01L29/786;H01L21/34
• 代理公司: 北京勁創知識產權代理事務所(普通合伙) 11589
• 代理人: 張鐵蘭

本發明屬二維半導體薄膜制備技術領域，具體涉及一種二維材料半導體薄膜的大規模制備及圖案化方法，包括如下步驟：基板預處理；在預處理后的基板上用負膠光刻目標圖案；在帶有光刻膠圖案的基板上用溶液自組裝技術制備二維半導體薄膜：基板首先浸泡在聚二烯丙基二甲基氯化銨水溶液，然后浸泡在MoS₂水溶液中，這個過程可多次重復；將基板上得到的薄膜在丙酮中浸泡去除光刻膠，最終得到目標MoS₂圖案。本發明的有益效果在于制備方法簡單，可以在任何基板上操作；薄膜厚度可控，而且可以實現圖案化；反應條件溫和，在高性能二維半導體薄膜電子器件領域具有廣闊的應用空間。

技術領域

本發明屬二維半導體薄膜制備技術領域，具體涉及一種二維材料半導體薄膜的大規模制備及圖案化方法。

背景技術

現代硅基半導體領域的發展推動了微電子、光電子技術領域的快速發展。半導體電子器件朝著更小、更密集、更快、更強大的信息處理和存儲和更大、更輕、更便宜、更靈活的信息顯示的方向發展。

在眾多半導體材料中，二維半導體薄膜由于其出色的電荷傳輸和機械性能在薄膜電子領域更具吸引力。但是均勻二維半導體薄膜的大面積制備一直是個挑戰，嚴重限制了其應用。

現有技術中，通常采用化學氣相沉積法或溶液法制備二維半導體薄膜。化學氣相沉積法在一定程度上解決了上述問題，化學氣相沉積法制備的二維半導體薄膜結晶性好、尺寸可擴展、厚度可調、電子器件性能優異。但這種合成方法成本和能耗都比較高，一般需要在高溫和高真空度的條件下完成，對基板的要求比較苛刻，這些二維半導體薄膜還需要復雜的步驟，轉移到合適基板上。轉移過程不僅繁瑣耗時，而且可能給半導體帶來性能上不可逆轉的損壞，降低器件的成品率。

現有技術中常規的溶液制備方法，例如可通過噴墨、噴涂印刷和旋涂等溶液法加工制備半導體薄膜器件，如光電探測器或晶體管。但是基于溶液法的二維半導體薄膜組裝方法仍缺乏可控的薄膜制備工藝。盡管噴墨或噴涂印刷可方便進行半導體薄膜的圖案化，但這些印刷工藝的分辨率和精度一般較低，對厚度的控制不精確，且因咖啡環效應造成納米片堆積不均勻。旋涂工藝雖可獲得均勻的薄膜，但這種方法無法應用于卷對卷工藝。

因此，尋找一種厚度可控并且能夠同時實現圖案化的薄膜組裝方法十分必要。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種二維材料半導體薄膜的制備及圖案化方法，能夠在較為溫和的條件下大規模制備二維材料半導體薄膜，并使之圖案化。

本發明公開了一種二維材料半導體薄膜的大規模制備及圖案化方法，包括如下步驟：

步驟1，基板預處理：先用有機溶劑清洗基板，然后用氧等離子體處理基板。

步驟2，在預處理后的基板上用負膠光刻目標圖案：在紫外光未曝光的地方光刻膠去除基板暴露出來，紫外光曝光的地方光刻膠仍然留在基板表面上。

步驟3，在帶有光刻膠圖案的基板上用溶液自組裝二維半導體薄膜：基板首先浸泡在帶正電的PDDA水溶液，然后浸泡在帶負電的MoS₂的水溶液中。

步驟4，將步驟3中基板上得到的(MoS₂/PDDA)_n薄膜在丙酮中浸泡去除光刻膠，最終得到目標MoS₂圖案。

進一步地，所述步驟3可重復進行，重復在PDDA溶液和MoS₂溶液中的浸泡過程可以得到(MoS₂/PDDA)_n薄膜，n代表步驟3重復的次數

進一步地，所述基板采用剛性結構或柔性結構。

優選的，所述基板為剛性結構時，采用SiO₂、Si、玻璃片中一種或幾種。

優選的，所述基板為柔性結構時，采用PET、PI中一種或幾種。