[发明专利]一种基于范德华外延制备二维非层状宽带隙氧化物的方法

说明书

本申请涉及无机半导体纳米材料技术领域，特别涉及一种基于范德华外延制备二维非层状宽带隙氧化物的方法。本申请提供的基于范德华外延制备二维非层状宽带隙氧化物的方法包括以下步骤：将反应原料放置在双温区管式炉的前温区；将生长基底放置在双温区管式炉的后温区；向双温区管式炉中通入载气进行加热反应，反应结束后，冷却，即得到二维非层状宽带隙氧化物材料，所述二维非层状宽带隙氧化物材料的化学式为M₂O₃，M³⁺为金属离子Cr³⁺、Bi³⁺和Sb³⁺中的一种或多种；其中，所述生长基底为范德华材料或表面带有范德华材料的硅片。

技术领域

本申请涉及无机半导体纳米材料技术领域，特别涉及一种基于范德华外延制备二维非层状宽带隙氧化物的方法。

背景技术

随着半导体技术的持续发展，集成电路核心工艺尺寸日益减小，例如当前台积电5nm制程芯片已经量产。量子物理效应如隧穿效应、界面效应和短沟道效应等严重制约了器件尺寸的进一步缩减。近年来，二维层状材料凭借其超薄的厚度和优异的电子特性引起了广泛关注，被认为是下一代集成电路的重要候选对象。与二维层状材料相比，二维非层状材料具有更丰富的材料体系，某些方面具有更突出的物理特性，与层状材料具有很强的互补性。典型的如Ga₂O₃、In₂O₃等金属宽带隙氧化物半导体，具有优异的电子特性和光电特性，当维度降低时，由于量子限域效应，会展现出与块体材料截然不同的电子和光电子特性。已有研究团队发现当氧化铟锡的厚度降低至几纳米后，会从金属态转变成半导体态，晶体管开关比高达10⁹。这表明，二维金属氧化物材料在电子、光电子领域有着广泛的应用前景。然而，大部分金属氧化物具有本征的三维共价键或离子键体结构，很难通过机械剥离或气相沉积制备出相应的二维薄膜结构。此外，现有的生长技术(例如分子束外延)往往要求外延层与生长基底之间的严格晶格匹配，该类型材料与硅基的集成应用存在巨大的挑战。因此，探索非层状宽带隙氧化物材料的二维化制备及其与硅基集成的普适性方法具有重要的研究意义与实际应用价值。

发明内容

本申请实施例提供一种基于范德华外延制备二维非层状宽带隙氧化物的方法，本申请提供的制备方法具有重复性好、操作简单的优点。

第一方面，本申请提供了一种基于范德华外延制备二维非层状宽带隙氧化物的方法，包括以下步骤：

将反应原料放置在双温区管式炉的前温区；

将生长基底放置在双温区管式炉的后温区；

向双温区管式炉中通入载气进行加热反应，反应结束后，冷却，即得到二维非层状宽带隙氧化物材料，所述二维非层状宽带隙氧化物材料的化学式为M₂O₃，M³⁺为金属离子Cr³⁺、Bi³⁺和Sb³⁺中的一种或多种；

其中，所述生长基底为范德华材料或表面带有范德华材料的硅片。

一些实施例中，所述反应原料为Cr、Bi、Sb或对应的氧化物、氯化物中的一种或多种。

一些实施例中，所述范德华材料为云母、氮化硼、石墨或过渡金属硫族化合物等表面无悬挂键的层状材料中的任一种。

一些实施例中，所述表面带有范德华材料的硅片的制备方法为：采用机械剥离法或气相沉积法将范德华材料制备在硅片的表面。

一些实施例中，所述载气选用氩气或氧气-氩气的混合气体，所述载气的流量为50-300sccm。

一些实施例中，双温区管式炉的前温区的温度为200-700℃，后温区的温度为450-650℃。