[發(fā)明專利]一種超臨界二氧化碳脈沖可控生長(zhǎng)二維半導(dǎo)體薄膜的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010950444.7
• 申請(qǐng)日: 2020-09-11
• 公開（公告）號(hào): CN112176320B
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐琴琴;王啟搏;銀建中;柳寶林;王志剛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C16/455
• 分類號(hào): C23C16/455;C23C16/30;C23C16/26;C23C16/52;C23C16/18
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 劉秋彤;梅洪玉

一種超臨界二氧化碳脈沖可控生長(zhǎng)二維半導(dǎo)體薄膜的方法，屬于納米復(fù)合材料薄膜制備領(lǐng)域。本發(fā)明方法采用超臨界二氧化碳作為輸運(yùn)介質(zhì)，增加前驅(qū)體的濃度、降低生長(zhǎng)溫度、減少環(huán)境污染；通過脈沖控制區(qū)對(duì)前驅(qū)體流量精準(zhǔn)調(diào)控，減少前驅(qū)體用量、降低制備成本；利用快速泄壓形成晶種，益于二維半導(dǎo)體薄膜的生長(zhǎng)、提高生長(zhǎng)效率；選擇不同的前驅(qū)體與合適載體可達(dá)到制備異質(zhì)復(fù)合膜的目的；可解決CVD方法反應(yīng)溫度較高、薄膜質(zhì)量不可控和ALD成膜效率低的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及納米復(fù)合材料薄膜制備領(lǐng)域，具體涉及一種超臨界二氧化碳脈沖可控生長(zhǎng)二維半導(dǎo)體薄膜的方法。

技術(shù)背景

二維半導(dǎo)體薄膜作為納米材料的一個(gè)分支，因其在原子尺度上的精準(zhǔn)制備，具有帶隙可調(diào)、穩(wěn)定性好、較高載流子遷移率和開關(guān)比，在集成電路和光電器件等領(lǐng)域擁有巨大應(yīng)用前景。正因此，二維半導(dǎo)體薄膜的研制已經(jīng)成為科研界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。

高質(zhì)量的二維半導(dǎo)體薄膜多采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)制備。傳統(tǒng)CVD技術(shù)工藝成熟、沉積速率較快，但存在一個(gè)矛盾之處：襯底材料往往不能承受較高的溫度，但為了保證一定的沉積速率必須提高反應(yīng)溫度；同時(shí)，高溫條件容易導(dǎo)致前驅(qū)體熱分解，降低了前驅(qū)體的輸送速率，影響薄膜性能。為了解決上述矛盾，由CVD衍生出了幾種氣相沉積方法，如低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)、等離子化學(xué)氣相沉積(PCVD)和激光化學(xué)氣相沉積(LCVD)。但上述三種方法都是通過改造設(shè)備的角度來解決CVD中沉積速率與溫度之間的矛盾，或多或少存在著不足之處，而其共性問題就是沉積溫度較高、原料利用率較低、且無法精準(zhǔn)調(diào)控膜的成分。除CVD以外，利用化學(xué)反應(yīng)自限性沉積薄膜的方法——原子層沉積法(ALD)亦是制備二維半導(dǎo)體薄膜較成熟的方法。將前驅(qū)體蒸氣交替地沉積在載體上，通過物理、化學(xué)吸附作用使前驅(qū)體分子與載體發(fā)生化學(xué)自限反應(yīng)來精準(zhǔn)調(diào)控薄膜質(zhì)量。但相比CVD方法，其沉積速率過慢很難達(dá)到量產(chǎn)水平；由于原子層的控制是來自于低溫條件下的自限作用，導(dǎo)致前驅(qū)體選擇的局限性。

本發(fā)明方法采用超臨界二氧化碳作為輸運(yùn)介質(zhì)，增加前驅(qū)體的濃度、降低生長(zhǎng)溫度、減少環(huán)境污染；通過脈沖控制區(qū)對(duì)前驅(qū)體流量精準(zhǔn)調(diào)控，減少前驅(qū)體用量、降低制備成本；利用快速泄壓形成晶種，益于二維半導(dǎo)體薄膜的生長(zhǎng)、提高生長(zhǎng)效率；選擇不同的前驅(qū)體與合適載體可達(dá)到制備異質(zhì)復(fù)合膜的目的；可解決CVD方法反應(yīng)溫度較高、薄膜質(zhì)量不可控和ALD成膜效率低的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出一種超臨界二氧化碳脈沖可控生長(zhǎng)二維半導(dǎo)體薄膜的方法。采用超臨界二氧化碳作為輸運(yùn)介質(zhì)，通過快速泄壓成核和精準(zhǔn)脈沖進(jìn)料的周期生長(zhǎng)模式，在較低溫度下可控生長(zhǎng)二維半導(dǎo)體薄膜的方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種超臨界二氧化碳脈沖可控生長(zhǎng)二維半導(dǎo)體薄膜的方法，步驟如下：

步驟一、將過量金屬前驅(qū)體溶解在超臨界二氧化碳中達(dá)到飽和狀態(tài)；

步驟二、以一定流量通入定量的步驟一得到的含有金屬前驅(qū)體的超臨界二氧化碳；

步驟三、將超臨界二氧化碳通入泄壓成核反應(yīng)區(qū)，使得泄壓成核反應(yīng)區(qū)溫度和壓力分別持續(xù)達(dá)到40-80℃、20-80MPa；

步驟四、對(duì)泄壓成核反應(yīng)區(qū)進(jìn)行泄壓直至0Mpa，在載體上生長(zhǎng)晶種；

步驟五、將在泄壓成核反應(yīng)區(qū)中的載體局部加熱，以一定流量通入定量的步驟一得到的含有金屬前驅(qū)體的超臨界二氧化碳；生長(zhǎng)薄膜；

步驟六、將超臨界二氧化碳通入泄壓成核反應(yīng)區(qū)進(jìn)行反沖；

步驟七、非金屬前驅(qū)體的添加，選擇如下兩種方式中的一種進(jìn)行：

(1)將非金屬前驅(qū)體溶解在超臨界二氧化碳中；將溶解了非金屬前驅(qū)體的超臨界二氧化碳通入泄壓成核反應(yīng)區(qū)；然后向泄壓成核反應(yīng)區(qū)通入超臨界二氧化碳，使得泄壓成核反應(yīng)區(qū)溫度和壓力分別持續(xù)達(dá)到40-80℃、20-80MPa；