[發(fā)明專利]一種大尺寸單晶二硫化鉬的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210982776.2
• 申請日: 2022-08-16
• 公開（公告）號: CN115354392B
• 公開（公告）日: 2023-09-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 何軍;史建平;李輝;楊俊波;李曉輝
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號: C30B25/00
• 分類號: C30B25/00;C30B29/46;C30B29/64
• 代理公司: 武漢智權(quán)專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42225
• 代理人: 馬麗娜

本申請涉及一種大尺寸單晶二硫化鉬的制備方法，包括如下步驟：將硫源置于第一溫區(qū)，將鉬源及氯化亞鐵粉置于第二溫區(qū)，將藍(lán)寶石襯底置于第三溫區(qū)；使載氣依次通過所述第一溫區(qū)、所述第二溫區(qū)和所述第三溫區(qū)；將所述第一溫區(qū)、所述第二溫區(qū)和所述第三溫區(qū)升溫至各自的預(yù)定溫度，進(jìn)行單晶二硫化鉬的生長。本申請制備方法，采用氯化亞鐵輔助化學(xué)氣相沉積的方法，在普通無切角藍(lán)寶石襯底上即可制備晶圓級別單晶二硫化鉬薄膜，鐵摻雜可進(jìn)一步調(diào)控二硫化鉬的能帶結(jié)構(gòu)，優(yōu)化溝道與電極的接觸；簡單易操作，過程可控，所得二硫化鉬晶體疇區(qū)取向一致、無疇區(qū)晶界，表現(xiàn)出良好的層數(shù)均勻性和晶體質(zhì)量。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種大尺寸單晶二硫化鉬的制備方法。

背景技術(shù)

隨著硅基晶體管尺寸的不斷縮小和集成度的不斷提高，短溝道效應(yīng)和熱效應(yīng)日趨顯著，現(xiàn)有電子器件的運行速度和性能已接近硅基材料的極限，開發(fā)新型半導(dǎo)體材料和器件顯得尤為關(guān)鍵。以單層二硫化鉬為代表的新型二維半導(dǎo)體材料，其原子層厚度和優(yōu)異的靜電控制能力可有效降低工作電壓/電流和能耗；表面無懸掛鍵可減少因散射導(dǎo)致的載流子遷移率的降低；豐富的能帶結(jié)構(gòu)便于設(shè)計多樣化的新型邏輯和存儲器件。因此，被認(rèn)為是滿足多種需求的下一代變革性技術(shù)應(yīng)用的核心備選材料。

高性能場效應(yīng)晶體管、集成電路和高端通用芯片的研發(fā)，必然基于高品質(zhì)、大面積、層數(shù)均勻的大尺寸二維單晶材料。主要原因如下：(1)單晶材料有效避免了多晶材料內(nèi)部晶界的形成，使材料的內(nèi)在性能發(fā)揮到極致；(2)二維單晶作為基元材料可確保器件性能的均一和穩(wěn)定；(3)大尺寸的單晶疇對于確保穩(wěn)定的電學(xué)性能和高的器件成品率至關(guān)重要。然而，由于二維材料具有更低的維度，傳統(tǒng)三維單晶的生長技術(shù)無法直接應(yīng)用于二維材料的合成。發(fā)展全新的材料制備技術(shù)，實現(xiàn)晶圓尺寸二維半導(dǎo)體單晶的合成，已經(jīng)成為了低維納米材料領(lǐng)域最核心的科學(xué)和技術(shù)問題。

由于對稱性和晶疇邊緣終止類型的不同，以及生長襯底的差異，現(xiàn)有二維單晶制備技術(shù)很難直接延伸到二維半導(dǎo)體晶圓級別大尺寸的生長。相關(guān)技術(shù)中，有利用特制藍(lán)寶石襯底臺階調(diào)控機(jī)制，實現(xiàn)兩英寸單晶二硫化鉬和二硫化鎢的可控制備，雖然在尺寸上已有一些提升，然而，仍然無法滿足高性能器件對二維單晶二硫化鉬尺寸的需求。此外，上述制備方法所選用的生長襯底為特制藍(lán)寶石，為在藍(lán)寶石表面引入平行臺階，需要對藍(lán)寶石襯底進(jìn)行特殊加工處理，使得藍(lán)寶石表面相對其晶軸有0.5°以內(nèi)的切角，如此高精度的切角極大地增加了藍(lán)寶石加工和材料制備成本。此外，該藍(lán)寶石襯底在二維半導(dǎo)體材料生長前需要進(jìn)行1000℃以上長時間高溫預(yù)退火處理，使得材料制備過程更加復(fù)雜。

由此可見，發(fā)展溫和的、低成本可控制備高質(zhì)量晶圓尺寸二維二硫化鉬單晶，是高性能電子器件和集成電路應(yīng)用的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容

本申請實施例提供一種大尺寸單晶二硫化鉬的制備方法，以解決相關(guān)技術(shù)中單晶二硫化鉬薄膜分布尺寸小的問題。

本申請?zhí)峁┝艘环N大尺寸單晶二硫化鉬的制備方法，包括如下步驟：

將硫源置于第一溫區(qū)，將鉬源及氯化亞鐵粉置于第二溫區(qū)，將藍(lán)寶石襯底置于第三溫區(qū)；

使載氣依次通過所述第一溫區(qū)、所述第二溫區(qū)和所述第三溫區(qū)；

將所述第一溫區(qū)、所述第二溫區(qū)和所述第三溫區(qū)升溫至各自的預(yù)定溫度，進(jìn)行單晶二硫化鉬的生長。

一些實施例中，所述硫源、所述鉬源和所述氯化亞鐵粉之間的質(zhì)量比為(200～230)：(8～10)：(1～3)。

一些實施例中，所述第一溫區(qū)的預(yù)定溫度為190～230℃，所述第二溫區(qū)的預(yù)定溫度為900～910℃，所述第三溫區(qū)的預(yù)定溫度為900～910℃。

一些實施例中，所述硫源和所述鉬源之間的距離為8～10cm；

和/或所述鉬源與所述藍(lán)寶石襯底之間的距離為1～3cm。

一些實施例中，所述硫源包括硫粉；