大面积二维材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种大面积二维材料及其制备方法，制备方法包括：提供一单晶基底；于单晶基底上形成单晶热导层，单晶热导层的热导率至少大于蓝宝石基底的热导率；于单晶热导层上形成二维材料层

【技术实现步骤摘要】
大面积二维材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于半导体集成电路设计及制造领域，特别是涉及一种大面积二维材料及其制备方法
。

技术介绍

[0002]二维材料的全名为二维原子晶体材料，是伴随人们成功分离出单原子层的石墨材料
‑‑‑
石墨烯
(graphene)
而提出的
。
[0003]二维材料因其载流子迁移被限制在二维平面内，使得这种材料展现出许多奇特的性质
。
其带隙可调的特性在场效应管
、
光电器件
、
热电器件等领域应用广泛；不同的二维材料由于晶体结构的特殊性质导致了不同的电学特性或光学特性的各向异性，包括拉曼光谱
、
光致发光光谱
、
二阶谐波谱
、
光吸收谱
、
热导率
、
电导率等性质的各向异性，在偏振光电器件
、
偏振热电器件
、
仿生器件
、
偏振光探测等领域也具有很大的发展潜力
。
[0004]二维材料通常可以制备在蓝宝石
、SiO2/Si、Al2O3/Si、HfO2/Si
等衬底上
。
为了提高电路工作速度
、
降低门延迟，需要晶体管工作时具有尽可能高的开态电流，然而蓝宝石
、SiO2、Al2O3、HfO2的低热导率使得基于二维材料制备的晶体管产生的焦耳热难以有效传导，使晶体管工作时升温严重，导致载流子迁移率下降
、
开态电流降低，器件性能发生退化，无法满足大规模集成电路的需要
。
[0005]应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚
、
完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的
。
不能仅仅因为这些方案在本申请的
技术介绍
部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知
。

技术实现思路

[0006]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种大面积二维材料及其制备方法，用于解决现有技术中二维材料制备的晶体管产生的焦耳热难以有效传导的问题
。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种大面积二维材料的制备方法，所述制备方法包括：提供一单晶基底；于所述单晶基底上形成单晶热导层，所述单晶热导层的热导率至少大于所述蓝宝石基底的热导率；于所述单晶热导层上形成二维材料层
。
[0008]可选地，所述单晶热导层的热导率为蓝宝石基底的热导率的
10
倍以上
。
[0009]可选地，所述单晶基底包括蓝宝石
、
硅
、
碳化硅
、
氮化镓和金刚石中的一种，或包括上述任意一种单晶基底的单晶斜切基底
。
[0010]可选地，所述单晶基底为单晶斜切的
C
面蓝宝石基底，所述单晶斜切的
C
面蓝宝石基底的表面原子级台阶方向沿着晶体的
M
轴方向，表面原子级台阶方向为方向，且表面原子级台阶方向允许角度偏差范围为
±
19.1
°
。
[0011]可选地，所述单晶热导层的厚度范围为
500
纳米～5微米
。
[0012]可选地，所述单晶热导层包括单晶
AlN
层，所述单晶
AlN
层包括斜切单晶
AlN
薄膜
。
[0013]可选地，所述单晶
AlN
层的形成方法包括物理气相沉积工艺
PVD、
脉冲激光沉积工艺
PLD、
分子束外延工艺
MBE、
金属有机物化学气相沉积工艺
MOCVD、
氢化物气相沉积工艺
HVPE
及物理气相输运工艺
PVT
中的一种
。
[0014]可选地，于所述单晶基底上形成单晶热导层后，先对所述单晶热导层进行图形化，以形成多个分立岛状结构，再于所述单晶热导层上形成二维材料层
。
[0015]可选地，所述二维材料层包括仅形成于所述分立岛状结构上的分立二维材料层或形成于所述分立岛状结构及分立岛状结构之间显露的单晶基底上的连续二维材料层
。
[0016]可选地，所述二维材料层包括单层二维材料及多层二维材料中的一种
。
[0017]可选地，所述二维材料层包括单晶二维材料
。
[0018]可选地，所述二维材料层的形成方法包括化学气相沉积工艺
CVD、
分子束外延工艺
MBE、
原子层沉积工艺
ALD、
物理气相输运工艺
PVT、
机械剥离工艺
、
湿法转移工艺及干法转移工艺中的一种
。
[0019]本专利技术还提供一种如上任意一项方案所述的大面积二维材料的制备方法所制备的二维材料，包括：单晶基底；单晶热导层，形成于所述单晶基底上，所述单晶热导层的热导率至少大于所述蓝宝石基底的热导率；二维材料层，形成于所述单晶热导层上
。
[0020]如上所述，本专利技术的大面积二维材料及其制备方法，具有以下有益效果：
[0021]本专利技术以高热导率的
AlN
等材料作为二维材料晶体管衬底材料，可以将二维材料晶体管工作产生的焦耳热高效的传导出去，减弱器件工作时的升温，有利于维持二维材料沟道的高迁移率，获得较高的开态电流，降低门延迟，提升二维集成电路的工作速度
。
[0022]本专利技术的单晶蓝宝石与单晶
AlN
层晶格常数相近，在斜切单晶蓝宝石上能够外延出斜切单晶
AlN
层，在斜切单晶
AlN
层上能够生长大面积高质量的单晶二维材料，高质量的单晶二维材料有利于在二维晶体管器件中获得高开态电流以及更好的器件性能一致性
。
[0023]本专利技术在单晶
AlN
层上制备的二维材料可以直接用于制备二维材料晶体管等器件，无需再进行转移过程，避免了二维材料在转移过程中产生的缺陷
、
残胶
、
掺杂等不利影响
。
[0024]本专利技术可以对单晶
AlN
进行图形化后再生长二维材料，分立岛状结构的
AlN
层能够更有效减小生长工艺中
AlN
层与衬底之间热失配导致的应力，提高所能承受的生长温度
。
附图说明
[0025]所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于说明本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理
。
显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种大面积二维材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：提供一单晶基底；于所述单晶基底上形成单晶热导层，所述单晶热导层的热导率至少大于所述蓝宝石基底的热导率；于所述单晶热导层上形成二维材料层
。2.
根据权利要求1所述的大面积二维材料的制备方法，其特征在于：所述单晶热导层的热导率为蓝宝石基底的热导率的
10
倍以上
。3.
根据权利要求1所述的大面积二维材料的制备方法，其特征在于：所述单晶基底包括蓝宝石
、
硅
、
碳化硅
、
氮化镓和金刚石中的一种，或包括上述任意一种单晶基底的单晶斜切基底
。4.
根据权利要求3所述的大面积二维材料的制备方法，其特征在于：所述单晶基底为单晶斜切的
C
面蓝宝石基底，所述单晶斜切的
C
面蓝宝石基底的表面原子级台阶方向沿着晶体的
M
轴方向，表面原子级台阶方向为方向，且表面原子级台阶方向允许角度偏差范围为
±
19.1
°
。5.
根据权利要求1所述的大面积二维材料的制备方法，其特征在于：所述单晶热导层的厚度范围为
500
纳米～5微米
。6.
根据权利要求1～5任意一项所述的大面积二维材料的制备方法，其特征在于：所述单晶热导层包括单晶
AlN
层，所述单晶
AlN
层包括斜切单晶
AlN
薄膜
。7.
根据权利要求6所述的大面积二维材料的制备方法，其特征在于：所述单晶
AlN
层的形成方法包括物理气相沉积工艺
PVD、
脉冲激光沉积工艺

【专利技术属性】
技术研发人员：刘冠宇，狄增峰，刘强，俞文杰，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：