一种晶圆级二硫化钨或二硒化钨二维纳米薄膜的制备方法技术

本发明专利技术公开一种晶圆级二硫化钨或二硒化钨二维纳米薄膜的制备方法。通过对蓝宝石晶圆进行高温退火处理，使处理后的蓝宝石更有利于生长高质量、大面积、高均匀性的二硫化钨和二硒化钨薄膜。采用化学气相沉积法，通过对气体流量调控、前驱体金属钨源的设计、限域高度的调节，可实现不同层厚(单层、双层或三层)的二硫化钨和二硒化钨纳米薄膜制备。包括：一、对氢气流量进行调控，可实现单、双层二硫化钨纳米薄膜的制备。本发明专利技术无需在生长过程中引入氯化物或氢氧化物等催化剂，使得晶圆级薄膜的生长更加的高效、方便，且无杂质元素的引入。且无杂质元素的引入。

【技术实现步骤摘要】
一种晶圆级二硫化钨或二硒化钨二维纳米薄膜的制备方法


[0001]本专利技术涉及过渡金属二卤代化合物的制备，特别涉及一种晶圆级二硫化钨或二硒化钨二维纳米薄膜的制备方法。

技术介绍

[0002]在众多二维材料中，半导体过渡金属二卤代化合物因其优异的电学和光电特性被认为是最有前途的材料。二硫化钨和二硒化钨，作为过渡金属二卤代化合物的一类，具有适合的带隙大小，高载流子迁移率，强光物相互作用和非常大的自旋分裂等特性。其晶体结构是分层的，每一层由三个原子平面组成，单层结构是一个W原子与周围的6个X(S/Se)原子形成共价键，一个X(S/Se)原子与3个W原子结合形成
‘
X
‑
W
‑
X
’
三明治结构，层与层之间是由范德华相互作用结合在一起。单分子层二硫化钨和二硒化钨为直接带隙半导体，二硫化钨带隙为2.01eV，二硒化钨带隙为1.6eV，带隙的大小会随层数的增加而减小，当二硫化钨和二硒化钨为双层以上厚度时，会由直接带隙向间接带隙转变。理论上，单层二硫化钨的室温迁移率为1103cm2V
‑1s
‑1，单层二硒化钨的室温迁移率为705cm2V
‑1s
‑1，都被视为高性能场效应晶体管极具潜力的通道材料。
[0003]然而，范德瓦尔层状材料应用于高端电子和光电子领域所面临的一个艰巨挑战，就是从微米尺度到晶圆级尺度的增长，这对于扩大二维材料的应用且满足当今半导体工艺的需求是非常有必要的。

技术实现思路

[0004]针对过渡金属二卤代化合物在发光器件、忆阻器等高端应用时纳米尺度和宏观尺度不够均匀的技术问题，本专利技术提供一种晶圆级二硫化钨和二硒化钨二维纳米薄膜的制备方法。通过化学气相沉积法，基于前驱体设计、基底工程等策略，成功实现了高质量晶圆级且层厚可控的二硫化钨和二硒化钨二维纳米薄膜的制备。该方法操作简单，重复性高、成本低，且工艺可以很容易地扩展到其他过渡金属二卤代化合物，晶圆级尺度的薄膜进一步提供了在大规模集成器件、半导体工业中应用的可能。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]一种晶圆级二硫化钨和二硒化钨二维纳米薄膜的制备方法，包括如下步骤：
[0007](1)将C面抛光蓝宝石放置在管式炉加热区中心，在氩氧混合气体环境中高温800
‑
1200℃退火，得到蓝宝石基底；
[0008](2)将金属钨箔放置在管式炉加热区中心，在空气中升温氧化，得到三氧化钨箔；
[0009](3)依据气流上游至下游的顺序，先将装有硫粉或硒粉的氧化铝舟推至第一加热区中心，然后，再将三氧化钨箔覆盖到蓝宝石基底上并推至第二加热区中心；
[0010](4)打开气流阀，向管式炉通入氢氩混合气体，并在升温前冲洗反应腔30
‑
60分钟；
[0011](5)设置程序升温，在氢氩混合气体下，将第一加热温区升温至200℃
‑
250℃,第二加热温区升温至750℃
‑
800℃，进行晶圆级二硫化钨纳米薄膜的生长制备；或者在氢氩混合
气体下，将第一加热温区升温至350℃
‑
400℃,第二加热温区升温至780℃
‑
820℃，进行晶圆级二硒化钨纳米薄膜的生长制备；
[0012](6)生长结束后，待管式炉自然冷却至室温，关闭氢气和氩气，得到晶圆级二硫化钨或二硒化钨纳米薄膜。
[0013]优选地，步骤(1)中，退火的时间为2
‑
5小时，氩氧混合气体中，氧气的流量为80
‑
150sccm，氩气的流量为80
‑
150sccm。
[0014]优选地，步骤(2)中，钨箔在空气中氧化的温度为650
‑
750℃，氧化时间为40
‑
70分钟。
[0015]优选地，步骤(3)中，三氧化钨箔与蓝宝石基底的限域空间为0.2
‑
2mm。
[0016]优选地，步骤(4)中，所述氢氩混合气体，氩气的流量为120
‑
180sccm，氢气的流量为15
‑
30sccm。
[0017]优选地，晶圆级二硫化钨纳米薄膜或晶圆级二硒化钨纳米薄膜的生长时间为8
‑
16分钟。
[0018]与现有技术相比较，本专利技术有如下显著优点：
[0019]1)不同于在硅、玻璃、云母等基底生长的二硫化钨和二硒化钨纳米片，本专利技术采用高温退火的C面蓝宝石作为基底，通过对退火时间、退火条件的调控，可实现晶圆级尺寸二硫化钨和二硒化钨二维纳米薄膜的生长制备。
[0020]2)与水热法、液相剥离等方法不同，本专利技术采用化学气相沉积法，通过对生长温度、氢气流量以及限域空间的调控，可精确制备不同层厚的二硫化钨和二硒化钨二维纳米薄膜。
[0021]3)对钨源前驱体进行了设计，与常规采用三氧化物粉末作为钨源不同，本专利技术使用空气中氧化的钨箔作为钨源，因为平整、光滑，且为金属源与基底面对面生长方式，在生长过程中提高了钨源扩散的均匀性，更有利于制备高均匀、高质量薄膜。
[0022]4)与其他晶圆级生长方法相比，本专利技术并未加入氢氧化物或氯化物等催化剂，避免了杂质元素的引入，实现高质量、高均匀性、晶圆级二维纳米薄膜制备。
附图说明
[0023]图1为实施例1所对应的化学气相沉积方法制备的晶圆级二硫化钨二维纳米薄膜的数码图片；
[0024]图2为实施例1所对应的化学气相沉积方法制备的晶圆级二硫化钨二维纳米薄膜的光学表征结果；
[0025]图3为实施例1所对应的化学气相沉积方法制备的晶圆级二硫化钨二维纳米薄膜的拉曼表征结果；
[0026]图4为实施例1所对应的化学气相沉积方法制备的晶圆级二硫化钨二维纳米薄膜的开尔文探针显微镜表征结果；
[0027]图5为实施例1所对应的化学气相沉积方法制备的晶圆级二硫化钨二维纳米薄膜的X射线光电子能谱表征结果；
[0028]图6为实施例2所对应的化学气相沉积方法制备的晶圆级二硫化钨二维纳米薄膜不同层数的拉曼光谱表征结果；
[0029]图7为实施例2所对应的化学气相沉积方法制备的晶圆级二硫化钨二维纳米薄膜不同层数的光致发光表征结果；
[0030]图8为实施例2所对应的化学气相沉积方法制备的晶圆级二硫化钨二维纳米薄膜不同层数的原子力显微镜表征结果；
[0031]图9为实施例3所对应的化学气相沉积方法制备的晶圆级二硒化钨二维纳米薄膜的数码图片；
[0032]图10为实施例3所对应的化学气相沉积方法制备的晶圆级二硒化钨二维纳米薄膜的光学表征结果；
[0033]图11为实施例3所对应的化学气相沉积方法制备的晶圆级二硒化钨二维纳米薄膜的拉曼表征结果；
[0034]图12为实施例3所对应的化学气相沉积方法制备的晶圆级二硒化钨二维纳米薄膜的开尔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种晶圆级二硫化钨或二硒化钨二维纳米薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将C面抛光蓝宝石放置在管式炉加热区中心，在氩氧混合气体环境中高温800
‑
1200℃退火，得到蓝宝石基底；(2)将金属钨箔放置在管式炉加热区中心，在空气中升温氧化，得到三氧化钨箔；(3)依据气流上游至下游的顺序，先将装有硫粉或硒粉的氧化铝舟推至第一加热区中心，然后，再将三氧化钨箔覆盖到蓝宝石基底上并推至第二加热区中心；(4)打开气流阀，向管式炉通入氢氩混合气体，并在升温前冲洗反应腔30
‑
60分钟；(5)设置程序升温，在氢氩混合气体下，将第一加热温区升温至200℃
‑
250℃,第二加热温区升温至750℃
‑
800℃，进行晶圆级二硫化钨薄膜的生长制备；或者在氢氩混合气体下，将第一加热温区升温至350℃
‑
400℃,第二加热温区升温至780℃
‑
820℃，进行晶圆级二硒化钨薄膜的生长制备；(6)生长结束后，待管式炉自然冷却至室温，关闭氢气和氩气，得到晶圆级二硫化钨或二硒化钨二维纳米薄膜。2.根据权利要求1所述的晶圆级二...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝国林，张世伟，贺力员，郝玉龙，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：