形成过渡金属二硫属化物（TMDC）材料层的方法技术

本申请涉及用于形成过渡金属二硫属化物(TMDC)材料层的方法。本发明专利技术概念涉及用于在布置在分子束外延生长工具(100)的加工室(102)中的基材(152)上形成过渡金属二硫属化物(TMDC)材料层(150)的方法(200)。方法(200)包括：从固体金属源(110a、110b、110c)蒸发(202)金属；形成(204)包含硫属化物的气体等离子体，以及将蒸发的金属和包含硫属化物的气体等离子体引入(206)加工室(102)，从而在基材(152)上形成TMDC材料层(150)。

【技术实现步骤摘要】
形成过渡金属二硫属化物(TMDC)材料层的方法
本专利技术涉及用于形成过渡金属二硫属化物(TMDC)材料层的方法。
技术介绍
过渡金属二硫属化物(TMDC)材料由于它们的性质引起人们的巨大兴趣。TMDC材料通常是MX2类型的薄半导体，M是过渡金属原子以及X是硫族原子。在TMDC材料中，一层M原子被夹在两层X原子之间，通常形成小于厚度的单层三明治结构。TMDC晶体由上述类型的单层形成，它们互相通过范德华吸引力结合。TMDC单层拥有使得它们在数个
引起人们的兴趣的性质。例如，具有M和X的特定组合的TMDC单层展现出直接带隙，使得此类材料是高度诱人的，并且适用于数种类型的电子件，例如晶体管、发光器和光学检测器。通常来说，TMDC单层的电子迁移率高于硅，使得TMDC单层可用于宽范围的所有电子件。除此之外，TMDC单层中的强自旋轨道耦合能够控制电子自旋。此外，TMDC单层是结构稳定的。存在用于形成或制造TMDC材料或TMDS单层的数种技术。可以使用剥落来生产小尺寸的TMDC材料样品。通过从块体材料剥落TMDC单层，可以产生尺寸通常为5-10μm的小样品。但是，由于剥落过程的随机性，剥落不可用于生产较大样品和具有良好受控结构的样品。换言之，通过剥落生产的样品通常难以用于实际的器件制造。用于生产TMDC材料的其他替代方法包括：硫化、原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)和固体源分子束外延生长(MBE)。当通过硫化过程形成TMDC材料时，所使用的硫前体必须开裂从而能够结合并形成所需材料。通常通过将前体加热到足够升高的温度，来使用所讨论的前体的开裂。此外，硫化过程本身通常需要在基材具有提升的温度，这可能导致基材损坏以及在硫化过程之前潜在地形成任何结构。在ALD中，可以一层接一层地生长单原子层，从而实现形成层状结构。但是，当通过ALD形成TMDC材料时，TMDC材料会需要经受高温退火过程，从而满足合理的质量要求。此外，在CVD中，用于形成TMDC材料的反应物在高温(通常高于600℃)蒸发并传递到基材。然后使得反应物在基材发生反应，从而形成TMDC材料。ALD和CVD工艺中所需的高温具有对所使用的基材造成破坏以及在所述过程之前潜在地形成任意结构的风险。另一种方法是使用固体源MBE，其中，通过流出物小室(effusioncell)的方式蒸发纯的M和X并传递到基材。当使用MBE来制造TMDC材料时，X材料的高蒸气压带来了与X材料不合乎希望的蒸发相关的问题，导致已经处于中等温度的工具污染，从而使得使用固体源MBE没有那么诱人。虽然现有技术已经存在用于制造TMDC材料的技术，但是在TMDC材料的大规模制造变得可行之前，仍然需要克服上文所述与不均匀性、样品尺寸、温度和污染相关的缺点。因此，需要改进的方法来制造或形成过渡金属二硫属化物(TMDC)材料层。
技术实现思路
基于上文所述，本专利技术概念的一个大致目标是提供在基材上形成过渡金属二硫属化物(TMDC)材料层的替代技术，其不存在或者至少减少了现有技术中的形成技术的缺陷。可以从下文理解其他目标：根据本专利技术概念的一个方面，提供了一种在基材上形成过渡金属二硫属化物(TMDC)材料层的方法，所述基材布置在分子束外延生长工具的加工室中，所述方法包括：从固体金属源蒸发金属，形成包含硫属化物的气体等离子体，以及将蒸发的金属和包含硫属化物的气体等离子体引入到加工室中，从而在基材上形成TMDC材料层。通过本专利技术的方法，可以采用所谓的等离子体辅助或等离子体强化分子束外延生长(MBE)在基材上形成TMDC材料层。通过如下方式将待包含在TMDC材料层中的硫属化物供给到基材：形成包含硫属化物的气体等离子体；同时通过如下方式将待包含在TMDC材料层中的金属供给到基材：从固体源蒸发。更具体来说，将蒸发的金属和包含硫属化物的气体等离子体进入到其中布置了基材的MBE工具的加工室中。换言之，允许蒸发的金属和包含硫属化物的气体等离子体到达基材，从而在其上形成TMDC材料层。应注意的是，在本申请中，术语“基材”可以是任意类型的载体、物体或者表面等类似物体，在其上形成TMDC材料层。因此，基材的尺寸、形状和物理性质不是关键的，并且不应理解为具有限制性。应注意的是，在本申请中，术语“加工室”可以是任意类型的室、封闭或开放空间或者腔体等类似物体，可以在基材上形成TMDC材料层的过程中，将基材布置在加工室中。应注意的是，在本申请中，术语“包含硫属化物的气体等离子体”可以是包含一定程度的硫属化物的任意类型的基于气体的等离子体。换言之，可以指通过任意类型的加工气体或多种加工气体形成的任意等离子体，只要所讨论的等离子体包含硫属化物即可。通常，可以使用包含硫属化物的加工气体来生产包含硫属化物的气体等离子体。因此，本专利技术的概念实现了在基材上形成TMDC材料层的新方法，其中，如此形成的TMDC材料层对于大面积基材上的均匀性和缺陷水平来说，展现出相对而言高的质量。有利的是，在形成TMDC材料层的过程中，加工室中的压力可以是1·10-7至1·10-4托。这里，“加工室中的压力”指的是加工室中的总压力。通过在特定压力下形成TMDC材料层，形成足够量的硫属化物原子物质并转移到基材。足够指的是硫属化物原子物质的量对于使得形成的TMDC材料层的化学计量变得正确是没有限制的。换言之，该特定的压力能够实现具有高质量的TMDC材料层。根据一个实施方式中，方法还可以包括：在形成TMDC材料层的过程中，用温度为20-650℃的加热元件来加热基材。通过用温度为20-650℃的加热元件来加热基材，基材自身也会被加热至原则上来说或大致来说对应于加热元件温度的温度。对基材进行加热是有利的，因为可以收集形成的TMDC材料层，同时将温度保持在通常来说足够低不会造成基材以及其上存在的任何特征或结构发生破损风险的水平。因此，通过相对来说低的温度，可以在基材上形成TMDC材料层，所述基材上存在对于温度敏感的特征或结构。因而，相比于现有技术而言，该特定的温度范围能够实现在不同类型的基材上形成TMDC材料层。此外，该特定的温度范围实现了基材的不同预加工类型，其中，所述预加工自身提供了对于温度敏感的特征或结构。或者，在TMDC材料层形成的过程中，加热元件可以具有如下温度范围：20-450℃、或者20-350℃、或者20-250℃、或者20-200℃，或者20-150℃。有利的是，在形成TMDC材料层的过程中，可以旋转基材。通过在形成TMDC材料层的过程中旋转基材，可以实现形成的TMDC材料层的均质性增加。TMDC材料层的均质性增加可以导致例如，当用于诸如晶体管之类的通道材料时的均匀电流密度。TMDC材料层可以形成为包含一层或多层TMDC材料的单层的晶体层，其优势在于，可以调节TMDC材料层的属性以适用于特定需求。晶体层可以是单晶体层，其优点在于，在整个层中，层的性质是均匀的。换言之，层的性质不会展现出大的位置变化。但是，由于方法的特性以及TMDC材料层的特性，可能仍然存在一些小的位置变化或晶体缺陷。根据一个实施方式，可以通过如下方式形成包含硫属化物的气体等离子体：将包含硫属化物的气体引入到腔体内，以及向腔体内的包含硫属化物的气体施加电磁场。通过这种布置，可以从与分子束外本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于在布置在分子束外延生长工具(100)的加工室(102)中的基材(152)上形成过渡金属二硫属化物TMDC材料层(150)的方法(200)，所述方法(200)包括：从固体金属源(110a、110b、110c)蒸发(202)金属；形成(204)包含硫属化物的气体等离子体，以及将蒸发的金属和包含硫属化物的气体等离子体引入(206)到加工室(102)中，从而在基材(152)上形成TMDC材料层(150)。

【技术特征摘要】
2016.11.23 EP 16200242.21.用于在布置在分子束外延生长工具(100)的加工室(102)中的基材(152)上形成过渡金属二硫属化物TMDC材料层(150)的方法(200)，所述方法(200)包括：从固体金属源(110a、110b、110c)蒸发(202)金属；形成(204)包含硫属化物的气体等离子体，以及将蒸发的金属和包含硫属化物的气体等离子体引入(206)到加工室(102)中，从而在基材(152)上形成TMDC材料层(150)。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在形成TMDC材料层(150)的过程中，加工室(102)中的压力是1·10-7至1·10-4托。3.如权利要求1或2所述的方法，所述方法还包括：在形成TMDC材料层(150)的过程中，用温度为20-650℃的加热元件(106)来加热基材(152)。4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在形成TMDC材料层(150)的过程中，转动基材(152)。5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，TMDC材料层(150)形成为晶体层，所述晶体层包含一层或多层TMDC材料的单层。6.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·埃尔卡兹，C·梅克林，
申请(专利权)人：IMEC非营利协会，
类型：发明
国别省市：比利时,BE