[發明專利]一種基于范德華外延制備二維非層狀寬帶隙氧化物的方法

在審

• 申請號: 202210806711.2
• 申請日: 2022-07-08
• 公開（公告）號: CN115287750A
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發明（設計）人: 何軍;程瑞清;李中偉;尹蕾;劉子嘉
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: C30B23/02
• 分類號: C30B23/02;C30B29/16;H01L31/032
• 代理公司: 武漢智權專利代理事務所(特殊普通合伙) 42225
• 代理人: 李景

本申請涉及無機半導體納米材料技術領域，特別涉及一種基于范德華外延制備二維非層狀寬帶隙氧化物的方法。本申請提供的基于范德華外延制備二維非層狀寬帶隙氧化物的方法包括以下步驟：將反應原料放置在雙溫區管式爐的前溫區；將生長基底放置在雙溫區管式爐的后溫區；向雙溫區管式爐中通入載氣進行加熱反應，反應結束后，冷卻，即得到二維非層狀寬帶隙氧化物材料，所述二維非層狀寬帶隙氧化物材料的化學式為M₂O₃，M³⁺為金屬離子Cr³⁺、Bi³⁺和Sb³⁺中的一種或多種；其中，所述生長基底為范德華材料或表面帶有范德華材料的硅片。

技術領域

本申請涉及無機半導體納米材料技術領域，特別涉及一種基于范德華外延制備二維非層狀寬帶隙氧化物的方法。

背景技術

隨著半導體技術的持續發展，集成電路核心工藝尺寸日益減小，例如當前臺積電5nm制程芯片已經量產。量子物理效應如隧穿效應、界面效應和短溝道效應等嚴重制約了器件尺寸的進一步縮減。近年來，二維層狀材料憑借其超薄的厚度和優異的電子特性引起了廣泛關注，被認為是下一代集成電路的重要候選對象。與二維層狀材料相比，二維非層狀材料具有更豐富的材料體系，某些方面具有更突出的物理特性，與層狀材料具有很強的互補性。典型的如Ga₂O₃、In₂O₃等金屬寬帶隙氧化物半導體，具有優異的電子特性和光電特性，當維度降低時，由于量子限域效應，會展現出與塊體材料截然不同的電子和光電子特性。已有研究團隊發現當氧化銦錫的厚度降低至幾納米后，會從金屬態轉變成半導體態，晶體管開關比高達10⁹。這表明，二維金屬氧化物材料在電子、光電子領域有著廣泛的應用前景。然而，大部分金屬氧化物具有本征的三維共價鍵或離子鍵體結構，很難通過機械剝離或氣相沉積制備出相應的二維薄膜結構。此外，現有的生長技術(例如分子束外延)往往要求外延層與生長基底之間的嚴格晶格匹配，該類型材料與硅基的集成應用存在巨大的挑戰。因此，探索非層狀寬帶隙氧化物材料的二維化制備及其與硅基集成的普適性方法具有重要的研究意義與實際應用價值。

發明內容

本申請實施例提供一種基于范德華外延制備二維非層狀寬帶隙氧化物的方法，本申請提供的制備方法具有重復性好、操作簡單的優點。

第一方面，本申請提供了一種基于范德華外延制備二維非層狀寬帶隙氧化物的方法，包括以下步驟：

將反應原料放置在雙溫區管式爐的前溫區；

將生長基底放置在雙溫區管式爐的后溫區；

向雙溫區管式爐中通入載氣進行加熱反應，反應結束后，冷卻，即得到二維非層狀寬帶隙氧化物材料，所述二維非層狀寬帶隙氧化物材料的化學式為M₂O₃，M³⁺為金屬離子Cr³⁺、Bi³⁺和Sb³⁺中的一種或多種；

其中，所述生長基底為范德華材料或表面帶有范德華材料的硅片。

一些實施例中，所述反應原料為Cr、Bi、Sb或對應的氧化物、氯化物中的一種或多種。

一些實施例中，所述范德華材料為云母、氮化硼、石墨或過渡金屬硫族化合物等表面無懸掛鍵的層狀材料中的任一種。

一些實施例中，所述表面帶有范德華材料的硅片的制備方法為：采用機械剝離法或氣相沉積法將范德華材料制備在硅片的表面。

一些實施例中，所述載氣選用氬氣或氧氣-氬氣的混合氣體，所述載氣的流量為50-300sccm。

一些實施例中，雙溫區管式爐的前溫區的溫度為200-700℃，后溫區的溫度為450-650℃。