一种过渡金属硫族化合物同质结及其制备方法、应用

本发明涉及半导体，更具体地说，涉及一种过渡金属硫族化合物同质结及其制备方法、应用。

背景技术：

1、二维过渡金属硫化物为探索新的物理现象和开发纳米尺度的高性能电子器件开辟了途径。通过结合不同二维过渡金属硫化物形成的二维范德华异质结，进一步提高了其在光电子器件领域的应用潜力。近年来，化学气相沉积法的快速发展为直接生长二维异质结提供了新的途径。不同材料结构，包括晶圆级的单层/双层单晶，垂直/横向异质结及超晶格等，都已经通过外延生长实现了直接合成。尽管化学气相沉积法生长的二维异质结拥有许多有趣的物理特性，但仍有一些不足之处。例如，由原子混合和晶格失配导致的无序边界会产生不连续的电子能带结构排列，从而在界面处导致更强的载流子散射和更差的载流子分离。

2、相对于异质结，由相同材料形成的二维横向同质结由于其晶体结构和电子结构的天然匹配，通常具有完美的载流子扩散通道和连续的能带弯曲。然而，二维同质结的直接合成具有极大挑战，目前已有的二维横向同质结都是在材料完成生长后通过化学掺杂、铁电/介电调节等区域工程策略制备的，这些方法技术复杂，并且与目前的互补金属氧化物半导体工艺不兼容。更重要的是，这类非本征二维横向同质结在界面处存在不可控的过渡区域，无法形成原子级平整的边界，阻碍了载流子的调控。因此，急需开发一种直接生长的方法以实现本征二维横向同质结的合成。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种过渡金属硫族化合物同质结及其制备方法、应用，本发明通过简单的方法即可制备出结晶度高，界面平整，应用前景广泛的过渡金属硫族化合物同质结。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种过渡金属硫族化合物同质结的制备方法，包括：在气态硫族单质和氢气环境中，以硅基底和过渡金属氧化物为原料，加热的条件下在硅基底表面形成过渡金属硫族化合物，得到过渡金属硫族化合物同质结。

4、本发明优选在硅基底的光面(二氧化硅表面)形成过渡金属硫族化合物。在本发明的一个优选的实验方案中，所述硅基底为1cm×1cm、300nm厚的p掺杂硅基底。

5、在本发明中，第一阶段加热的温度为820～850℃，时间为3～5min；第二阶段加热的温度为630～670℃，时间为25～35min。

6、在本发明的一个实施例中，所述加热包括依次进行的第一阶段和第二阶段，第一阶段加热的温度为835℃，时间为5min；第二阶段加热的温度为650℃，时间为30min。

7、在本发明中，第一阶段加热结束后，停止加热10～15min，再进行第二阶段加热；优选停止加热10min。

8、在本发明中，停止加热后，将气态硫族单质和氢气替换为惰性气体；所述惰性气体优选为氩气。

9、在本发明中，所述气态硫族单质和氢气的流速为100～150ml/min，优选为100ml/min。

10、在本发明中，所述氢气环境还包括惰性气体；氩气与氢气的体积比优选为4：1；所述惰性气体优选为氩气。

11、在本发明中，将硅基底和过渡金属氧化物混合，进行加热前，排出体系内的空气。

12、在本发明中，所述气态硫族单质的制备方法包括：加热固态硫族单质，至温度为200℃，使硫族单质升华；加热固态硫族单质的时间优选为30min。

13、在本发明的一个实施例中，将硅基底和过渡金属氧化物置于氢气气流的下游，将硫族单质置于氢气气流的上游，加热至硫族单质升华，得到的气态硫族单质在氢气气流的作用下，与下游的过渡金属氧化物接触反应，在硅基底表面形成过渡金属硫族化合物，得到过渡金属硫族化合物同质结。

14、在本发明的一个实施例中，过渡金属硫族化合物同质结的制备方法在双温区管式炉中进行。

15、在本发明中，所述硫族单质包括硫单质和/或硒单质，优选为硫单质；所述过渡金属氧化物包括钨氧化物，优选为三氧化钨。

16、在本发明中，所述过渡金属氧化物的粒径为1-20μm，优选为18μm。

17、在本发明中，所述混合的原料还包括助反应剂；所述过渡金属氧化物和助反应剂的摩尔比为1:(1～5)，优选为1：1.9；所述助反应剂包括氯化钠、氯化钾、碘化钾中的一种或多种，优选为氯化钠。助反应剂可以降低反应过程的能垒。

18、在一个优选的实验方案中，所述三氧化钨的用量为70mg，氯化钠的用量为30mg，硫粉为25mg。

19、本发明优选将助反应剂和过渡金属氧化物混合，置于容器中，再将硅基底的二氧化硅表面朝下，置于容器中；所述混合的容器优选为石英管；所述石英管的内径优选为50mm。

20、在本发明中，将硅基底和过渡金属氧化物混合前，对硅基底进行除杂处理；所述除杂优选采用清洗的方式；所述清洗优选包括：将硅基底依次用溶剂进行超声清洗，再进行干燥；所述清洗的溶剂优选为丙酮、异丙醇和去离子水；所述清洗的时间优选为15～60min；所述干燥采用氮气枪吹干。

21、在一个优选的实验方案中，所述丙酮和异丙醇均为化学纯度，氮气纯度为99.5％。

22、本发明还提供了上述过渡金属硫族化合物同质结的制备方法制得的过渡金属硫族化合物同质结在电子器件上的应用。

23、在本发明中，所述电子器件优选为高增益cmos反相器。

24、本发明利用两次不同条件的化学气相沉积法，获得了高质量单层的过渡金属硫族化合物同质结，在高增益cmos反相器等电子器件方面有着巨大的应用前景，相比于传统同质结的制备，本方法强调了原位晶畴工程在超薄半导体上的重要性，且工艺简单，易于规模化生产。

25、经过实施例验证，本发明制备得到的二硫化钨横向同质结具体为相邻晶畴为反位缺陷(一个或两个硫原子替代一个钨原子)或硫单空位缺陷的单层二硫化钨单晶，所得单晶沉积在硅基底的二氧化硅表面。

技术特征：

1.一种过渡金属硫族化合物同质结的制备方法，其特征在于，包括：在气态硫族单质和氢气环境中，以硅基底和过渡金属氧化物为原料，加热的条件下在硅基底表面形成过渡金属硫族化合物，得到过渡金属硫族化合物同质结。

2.根据权利要求1所述的过渡金属硫族化合物同质结的制备方法，其特征在于，所述加热包括依次进行的第一阶段和第二阶段，第一阶段加热的温度为820～850℃，时间为3～5min；第二阶段加热的温度为630～670℃，时间为25～35min。

3.根据权利要求2所述的过渡金属硫族化合物同质结的制备方法，其特征在于，第一阶段加热结束后，停止加热10～15min，再进行第二阶段加热。

4.根据权利要求1所述的过渡金属硫族化合物同质结的制备方法，其特征在于，所述气态硫族单质和氢气的流速为100～150ml/min。

5.根据权利要求1所述的过渡金属硫族化合物同质结的制备方法，其特征在于，所述硫族单质包括硫单质和/或硒单质。

6.根据权利要求1所述的过渡金属硫族化合物同质结的制备方法，其特征在于，所述过渡金属氧化物包括钨氧化物。

7.根据权利要求1所述的过渡金属硫族化合物同质结的制备方法，其特征在于，所述过渡金属氧化物的粒径为1～20μm。

8.根据权利要求1所述的过渡金属硫族化合物同质结的制备方法，其特征在于，所述混合的原料还包括助反应剂；

9.如权利要求1-8任一项所述的过渡金属硫族化合物同质结的制备方法制得的过渡金属硫族化合物同质结。

10.如权利要求1-8任一项所述的过渡金属硫族化合物同质结的制备方法制得的过渡金属硫族化合物同质结，或权利要求9所述的过渡金属硫族化合物同质结在电子器件上的应用。

技术总结
本发明涉及半导体技术领域，具体提供了一种过渡金属硫族化合物同质结及其制备方法、应用。本发明的过渡金属硫族化合物同质结的制备方法，包括：在气态硫族单质和氢气环境中，以硅基底和过渡金属氧化物为原料，加热的条件下在硅基底表面形成过渡金属硫族化合物，得到过渡金属硫族化合物同质结。与现有技术相比，本发明通过简单的方法即可制备出结晶度高，界面平整，应用前景广泛的本征过渡金属硫族化合物同质结。

技术研发人员：宋礼,崔其龙,王瑞洁,陈双明
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13