二维材料元件和半导体器件的制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请要求2013年11月5日在韩国知识产权局提交的第10-2013-133830号韩 国专利申请的优先权，其公开通过引用被全文合并于此。
技术领域
[0002] 本公开涉及二维材料、形成二维材料的方法和/或包括二维材料的器件。
【背景技术】
[0003] 二维（2D)材料是其中原子形成晶体结构的单层或半层固体材料。2D材料的最著 名的示例是石墨烯。石墨烯可以是单层（例如单原子层）结构，其中碳原子形成六角形结 构。石墨烯可以具有关于狄拉克点对称的能带结构，并且在狄拉克点处电荷的有效质量非 常小。因此，石墨烯可以具有是硅（Si)的至少10倍或更多倍（甚至可以是1000倍或更多 倍）的电荷迁移率。此外，石墨烯可以具有非常高的费米速度（V F)。因此，石墨烯作为下一 代材料已经引起了关注。
[0004] 除了对石墨烯的研究，也正在研究和开发具有绝缘性能或半导体性能的各种2D 材料。对2D材料的研究通常包括呈薄片状态（形状）的2D材料的基本材料性能的确定和 用于大规模生长的生长2D材料的方法的开发。近来，对2D材料的研究已经扩展到不同2D 材料的层叠。然而，为了将2D材料实际应用于器件，需要解决各种问题，诸如2D材料之间 或2D材料与另一材料之间的界面问题和2D材料的转移问题。
【发明内容】
[0005] 示例实施方式涉及具有优异的电/物理性能的二维（2D)材料元件。
[0006] 示例实施方式涉及2D材料元件，其中不同的2D材料彼此化学地接合。
[0007] 示例实施方式涉及能够解决界面问题的2D材料元件。
[0008] 示例实施方式涉及具有PN结结构的2D材料元件。
[0009] 示例实施方式涉及用于容易的带隙控制的2D材料元件。
[0010] 示例实施方式涉及包括具有不同带隙的区域的2D材料元件。
[0011] 示例实施方式涉及用于形成2D材料的方法。
[0012] 示例实施方式涉及2D材料被应用于其的器件（半导体器件）。
[0013] 附加的方面部分地将在随后的说明中被阐述，部分地将从该说明而显见，或者可 以通过对示例实施方式的实践而被知晓。
[0014] 根据示例实施方式，一种二维（2D)材料元件包括：包括第一金属硫属元素化物基 材料的第一 2D材料；以及接合至第一 2D材料的侧面的第二2D材料。第二2D材料包括第 二金属硫属元素化物基材料。第一 2D材料和第二2D材料彼此化学地接合。
[0015] 在示例实施方式中，第一 2D材料和第二2D材料可以彼此共价地接合。
[0016] 在示例实施方式，第一 2D材料和第二2D材料可以彼此原子间地接合，第一 2D材 料和第二2D材料可以在第一 2D材料和第二2D材料之间的接合部分具有连续的晶体结构。
[0017] 在不例实施方式中，第一金属硫属兀素化物基材料可以是第一过渡金属二硫属兀 素化物（TMDC)材料，第二金属硫属元素化物基材料可以是第二过渡金属二硫属元素化物 (TMDC)材料，第一和第二金属二硫属元素化物（TMDC)材料可以彼此不同。
[0018] 在不例实施方式中，第一金属硫属兀素化物基材料和第二金属硫属兀素化物基材 料中的至少一个可以包括：包括 Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge 和 Pb 之一的金属原子，以及包括S、Se和Te之一的硫属兀素原子。
[0019] 在示例实施方式中，第一 2D材料和第二2D材料可以是半导体。
[0020] 在示例实施方式中，第一 2D材料可以是n型半导体，第二2D材料可以是p型半导 体。在此情形下，第一金属硫属元素化物基材料可以包括第一金属原子，第二金属硫属元素 化物基材料可以包括第二金属原子，第一和第二金属原子可以彼此不同。第一金属硫属元 素化物基材料可以包括第一硫属元素原子，第二金属硫属元素化物基材料可以包括第二硫 属元素原子，第一和第二硫属元素原子可以相同。
[0021] 在不例实施方式中，第一金属硫属兀素化物基材料可以是MoS2、MoSe 2、MoTe2、WSe2 和 WTe22 -。
[0022] 在示例实施方式中，第二金属硫属元素化物基材料可以是WS2、ZrS2、ZrSe 2、HfS2、 HfSejP NbSe2之一。
[0023] 在不例实施方式中，第一金属硫属兀素化物基材料可以包括MoS2，第二金属硫属 元素化物基材料可以包括WS 2。
[0024] 在示例实施方式中，第一 2D材料的带隙可以不同于第二2D材料的带隙。在此情 形下，第一金属硫属元素化物基材料可以包括第一硫属元素原子，第二金属硫属元素化物 基材料可以包括第二硫属元素原子，第一和第二硫属元素原子可以彼此不同。第一金属硫 属元素化物基材料可以包括第一金属原子，第二金属硫属元素化物基材料可以包括第二金 属原子，第一和第二金属原子可以相同。
[0025] 在不例实施方式中，第一金属硫属兀素化物基材料可以包括MoS2、MoSejP MoTe 2 之一，第二金属硫属兀素化物基材料可以包括MoS2、MoSe#P MoTe 2中的另一个。
[0026] 在不例实施方式中，第一金属硫属兀素化物基材料可以包括WS2、WSejP WTe 2之 一，第二金属硫属兀素化物基材料可以包括WS2、WSe#P WTe 2中的另一个。
[0027] 在示例实施方式中，第一和第二2D材料之一可以布置在第一和第二2D材料中的 另一个的两相反侧。
[0028] 在示例实施方式中，第一 2D材料可以是多个第一 2D材料之一，第二2D材料可以 是多个第二2D材料之一，所述多个第一和第二2D材料可以定义图案结构。
[0029] 在示例实施方式中，2D材料元件可以还包括第三2D材料，第三2D材料接合至第一 2D材料和第二2D材料之一的侧面。
[0030] 在示例实施方式中，一种半导体器件可以包括多层结构，多层结构包括半导体层 和至少一个非半导体层。半导体层可以包括上述2D材料元件之一。至少一个非半导体层 可以在半导体层的至少一个表面上或者在半导体层的至少一个表面下。
[0031] 在示例实施方式中，多层结构可以包括第一导电层和第二导电层。半导体层可以 在第一导电层上。第二导电层可以在半导体层上。在此情形下，多层结构进一步可以包括 第三导电层和绝缘层。第三导电层可以在第二导电层上，绝缘层可以在第二导电层和第三 导电层之间。
[0032] 在示例实施方式中，多层结构可以包括第一绝缘层、第二绝缘层、第一导电层和第 二导电层。半导体层可以在第一绝缘层上。第二绝缘层可以在半导体层上。第一绝缘层可 以在第一导电层上。第一导电层可以面对半导体层。第二导电层可以在第二绝缘层上。第 二导电层可以面对半导体层。
[0033] 在示例实施方式中，多层结构可以包括第一导电层、第二导电层和绝缘层。第二导 电层可以在第一导电层上。绝缘层可以在第一导电层和第二导电层之间。
[0034] 在示例实施方式中，多层结构可以包括：与半导体层间隔开的第一导电层；在半 导体层和第一导电层之间的绝缘层；以及分别接触半导体层的第一和第二区域的第二导电 层和第三导电层。
[0035] 在示例实施方式中，多层结构可以包括绝缘层和第一导电层。半导体层可以在绝 缘层上。第一导电层可以在半导体层上。在此情形下，多层结构可以包括面对半导体层的 第二半导体层。绝缘层可以在半导体层与第二半导体层之间。多层结构可以还包括分别接 触第二半导体层的第一和第二区域的第二导电层和第三导电层。
[0036] 在示例实施方式中，至少一个非半导体层可以包括导电2D材料和绝缘2D材料中 的至少一个。
[0037] 在示例实施方式中，半导体层可以包括PN结结构、PNP结结构和NPN结结构中的 至少一种。
[0038] 在示例实施方式中，半导体层可以包括具有不同的能带隙的多种2D材料。
[0039] 在示例实施方式中，半导体器件可以是隧道器件，半导体层可以是隧道层。
[0040]在示例实施方式中，半导体器件可以是双极结型晶体管（BJT)，半导体层可以是隧 道层。
[0041] 在示例实施方式中，半导体器件可以是势垒晶体管，半导体层可以是沟道层。
[0042]在示例实施方式中，半导体器件可以是场效应晶体管（FET)，半导体层可以是沟道 层。
[0043] 在示例实施方式中，半导体器件可以是存储器件，半导体层可以是电荷俘获层。
[0044] 在示例实施方式中，半导体器件可以是二极管。
[0045] 在示例实施方式中，半导体器件可以是太阳能电池。
[0046] 在示例实施方式中，半导体器件可以是光检测器。
[0047] 根据示例实施方式，一种形成2D材料元件的方法包括：制备包括第一金属硫属元 素化物基材料的前体和第二金属硫属元素化物基材料的前体的前体溶液；通过涂覆前体溶 液到衬底上来形成薄膜；以及由薄膜形成2D材料元件,2D材料元件包括：包括第一金属硫 属元素化物基材料的第一 2D材料和包括第二金属硫属元素化物基材料的第二2D材料，其 中第二2D材料化学地接合至第一 2D材料的侧面。
[0048] 由薄膜形成2D材料元件可以包括退火该薄膜。
[0049] 退火可以在从约300°C至约2000°C的温度下进行。
[0050] 由薄膜