[发明专利]一种直接生长原子尺度二维半导体异质结的装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于机械制造和材料科学工程技术领域，涉及一种直接生长原子尺度二维半导体异质结的装置及方法。

背景技术

二维材料是最近十年才发展起来一类重要的材料，其厚度通常从几分之一纳米到几十纳米，平面尺寸从几十纳米至几百米不等，跨越微观、介观和宏观三个尺度。二维材料由于在某一维度上具有纳米级的尺度，使其具有许多优异的物理和化学性质，如二维材料的量子尺寸效应，量子限域效应，载流子平面传输，材料表面无悬键，组成材料的原子集中在其表面，比表面积大等。

2004年由英国曼彻斯特大学A.K.Geim和K.S.Novoselov教授发现的石墨烯是二维材料的典型代表，单层厚度仅为0.335nm。石墨烯独特的二维结构赋予了其优异的电学、光学、力学和热学性能，如高速载流子迁移率(2×10⁵cm²/V.s)，约为商用硅半导体的电子迁移率的140倍，砷化镓的20倍；高透明性(550nm时单层的透光率达97.3％)；超高强度(杨氏模量达1100GPa，断裂强度达125GPa)；超高的比表面积(2630m²/g)；超高的热导率(5300W/m.K)。石墨烯这些优异的物理和化学性质使其在微纳电子器件、能源转化与存储、航空航天、复合材料等方面拥有广阔的应用前景。2011年，B.Radisavljevic等人剥离制备了类石墨烯的二维层状原子晶体二硫化钼(MoS₂)，单层厚度为0.63nm，禁带宽度1.8eV。带隙的出现使得MoS₂对光具有很好的响应，由其构筑的晶体管电流开关比高达10⁸，亚阀值斜率可达74mV/dev，光响应度可达2200A/W，接近硅材料的理论值。随着研究的深入，类似的二硫化钨(WS₂)、二硒化钼(MoSe₂)、二硒化钨(WSe₂)等二维层状半导体化合物逐渐被发现，而且表现出与二硫化钼类似的光电子学性质。

然而单一二维半导体在某些应用方面也存在着一定问题。例如石墨烯在室温条件下具有超快的光电响应，其响应速度可达1.5ps，且具有宽频响应特性，可实现在0.3～6μm波段范围工作的光电子器件。但石墨烯光电响应度仅为6.1mA/W，且通过引入电子陷阱和空洞之后，也只提高到8.61A/W；而且石墨烯为零带隙半金属性，没有电子学意义上的“开”和“关”，严重制约其在未来电子电路中的应用。因此，如何调控石墨烯的电子特性和禁带宽度，一直是石墨烯研究领域的关键性课题。虽然诸如MoS₂这类石墨烯二维材料具有一定的带隙，较高的开关比和较高的光响应度；但也存在着一些缺点，如其电子迁移率较低(0.1～10cm²/V.s)，响应速度慢，一般在毫秒量级。如何提高此类二维半导体原子晶体的载流子迁移率，也是目前急需解决的研究课题。

鉴于此，研究者们试图将两种二维材料组合形成平面或垂直的异质结结构，充分利用两种材料优势，来获得性能更好的器件。在这方面，Huang等人采用物理气相沉积法，在水平放置的石英管中，以二硒化钼和二硒化钨粉末为前驱物，在带有二氧化硅层表面650～750℃下生长出了平面二硒化钼/二硒化钨异质结。二硒化钼和二硒化钨界面平稳过渡并未产生缺陷和晶格失调等，同时该异质结材料表现出增强的光致发光性质。Gong等人采用化学气相沉积法，在水平放置的石英管中，以硫粉和三氧化钼为前驱物，在表面放置单质钨粉和碲粉的硅片上生长出垂直的二硫化钨/二硫化钼异质结，同时还有少量产物为二者的水平异质结。所形成的异质结为p-n结，在二极管、太阳能电池、逻辑器件等方面具有广泛的应用前景。上述这些方法可以制备出一定尺寸的异质结，但该方法随机性较大、多种反应物质在一起，调控难度大，生长出来的异直接纯度较低，一次反应获得的产品量较少。此外，一些研究者通过先生长出两种材料，再通过剥离转移等技术，将两种材料组合在一起形成异质结。采用这种方法，两种材料之间仅存在弱的范德华力，载流子在界面会发生严重的散射，影响材料器件性能。同时，转移的过程中不可避免的引入杂质和污染，转移过程繁琐，器件的一致性、重复性能都难以保证，制作成本高、周期长。

发明内容

鉴于目前在二维半导体异质结制作方面存在的不足，本发明为直接生长高质量二维半导体异质结材料提供了一种有效、快速、结构简单的装置，利用新型反应装置可以直接在基底表面生长原子尺度的二维半导体异质结。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：