[发明专利]单层二硫化钼薄膜的制备方法有效

专利信息
申请号: 201410027158.8 申请日: 2014-01-13
公开(公告)号: CN103757602B 公开(公告)日: 2017-02-15
发明(设计)人: 吴华强;袁硕果;李寒;钱鹤 申请(专利权)人: 清华大学
主分类号: C23C16/30 分类号: C23C16/30;C23C16/52;C23C16/455
代理公司: 北京清亦华知识产权代理事务所(普通合伙)11201 代理人: 张大威
地址: 100084 北京*** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 单层 二硫化钼 薄膜 制备 方法
【说明书】:

技术领域

发明涉及化学气相沉积技术领域,具体涉及一种单层二硫化钼薄膜的制备方法。

背景技术

硅基集成电路技术(CMOS)在过去几十年取得了巨大的发展,成为现代社会经济发展的最重要的推动力之一。CMOS技术发展的主要标志就是器件的特征尺寸越来越小,截止频率越来越高。由于硅材料本身载流子迁移率的限制,硅基集成电路速度的提高主要依赖于栅长的缩小。随着器件尺度不断缩小,已接近加工精度和器件物理的极限,硅材料面临着许多挑战。2004年英国Manchester大学Geim教授领导的研究组发现单原子层二维石墨烯graphene以来,二维石墨烯由于优异的电学性能、机械性能、光学性能、热学性能等成为了当前的国际研究热点。然而由于完整的石墨烯没有带隙,极大地限制了它在半导体器件上的应用,尤其是在数字电路的应用。虽然研究人员通过掺杂、化学修饰、双层石墨烯等方法人为打开带隙,但性能的改善不明显,还会降低其电子流动性或者需要高电压。一维尺度受限的石墨烯纳米带具有一定的带隙,可以获得高性能的晶体场效应管,增加芯片速度与效能、降低耗热量,然而制备宽度窄的石墨烯纳米带又是非常困难的问题。

过渡金属硫族化物(transition metal dichalcogenides,TMD)二维原子晶体材料,如MoS2等越来越受到了学术界和工业界的高度重视。因为该类材料单分子层内部天然就有较大的带隙,虽然它的电子流动性较差,但在制造晶体管时,用一种氧化层介质栅门就可使室温下单层二维原子材料的迁移率大大提高,许多独特的电学和光学性质在该材料由体材料降解到二维单分子层后体现出来,该类材料已成为新一代高性能纳米光电器件国际前沿研究的核心材料之一,在电子、光电器件方面有着广泛的应用前景,同时作为后硅时代的一种新型纳米电子材料,越来越得到了学术界和工业界的广泛关注,如图1所示。同当前广泛应用的硅相比,TMD除了体积更小,另一个优势是比硅的能耗更低。以MoS2为代表的TMD材料制备的场效应晶体管,在稳定状态下耗能比传统硅晶体管小10万倍。

现有的MoS2薄膜的制备主要集中在机械剥离,液相剥离等,但这些方法制备的薄膜层数不可控,而且获得的面积也比较小。化学气相沉积法CVD提供了一种很好获得大面积,层数可控规则排列的单层MoS2薄膜的方法。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此,本发明的目的在于提出一种制备大面积、层数可控的单层二硫化钼薄膜的制备方法。

为实现上述目的,根据本发明实施例的单层二硫化钼薄膜的制备方法,可以包括以下步骤:提供硫粉并加热转变为硫蒸气;利用载气将所述硫蒸气吹入置有衬底和三氧化钼粉末的反应腔;将所述反应腔的温度加热到第一预设温度并保持第一预设时间,以使所述三氧化钼粉末与所述硫蒸气反应生成气态的MoO3-x并沉积到所述衬底上,其中0<x≤1;将所述反应腔的温度加热到第二预设温度并保持第二预设时间,继续通入硫蒸气,以使所述硫蒸气与所述MoO3-x反应,在所述衬底表面形成单层二硫化钼薄膜,其中,所述第一预设温度小于所述第二预设温度。

根据本发明实施例的单层二硫化钼薄膜的制备方法,通过两步反应法能够获得大面积、层数可控的单层二硫化钼薄膜。

在本发明的其他实施例中,还可以具有如下技术特征:

在本发明的一个实施例中,所述第一预设温度为100-600℃。

在本发明的一个实施例中,所述第二预设温度为650-900℃。

在本发明的一个实施例中,所述第一预设时间为10-30min。

在本发明的一个实施例中,所述第二预设时间为5-60min。

在本发明的一个实施例中,所述载气为高纯氮气、高纯惰性气体或掺杂氢气的惰性气体。

在本发明的一个实施例中,所述载气的流速为1-200sccm。

在本发明的一个实施例中,所述硫粉所在位置与所述三氧化钼粉末所在位置的距离为5-30cm。

在本发明的一个实施例中,所述衬底为硅、蓝宝石、云母或石英。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:

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