[发明专利]形成过渡金属二硫属化物(TMDC)材料层的方法

说明书

本申请涉及用于形成过渡金属二硫属化物(TMDC)材料层的方法。本发明概念涉及用于在布置在分子束外延生长工具(100)的加工室(102)中的基材(152)上形成过渡金属二硫属化物(TMDC)材料层(150)的方法(200)。方法(200)包括：从固体金属源(110a、110b、110c)蒸发(202)金属；形成(204)包含硫属化物的气体等离子体，以及将蒸发的金属和包含硫属化物的气体等离子体引入(206)加工室(102)，从而在基材(152)上形成TMDC材料层(150)。

技术领域

本发明涉及用于形成过渡金属二硫属化物(TMDC)材料层的方法。

背景技术

过渡金属二硫属化物(TMDC)材料由于它们的性质引起人们的巨大兴趣。TMDC材料通常是MX₂类型的薄半导体，M是过渡金属原子以及X是硫族原子。在TMDC材料中，一层M原子被夹在两层X原子之间，通常形成小于厚度的单层三明治结构。TMDC晶体由上述类型的单层形成，它们互相通过范德华吸引力结合。TMDC单层拥有使得它们在数个技术领域引起人们的兴趣的性质。

例如，具有M和X的特定组合的TMDC单层展现出直接带隙，使得此类材料是高度诱人的，并且适用于数种类型的电子件，例如晶体管、发光器和光学检测器。

通常来说，TMDC单层的电子迁移率高于硅，使得TMDC单层可用于宽范围的所有电子件。除此之外，TMDC单层中的强自旋轨道耦合能够控制电子自旋。此外，TMDC单层是结构稳定的。

存在用于形成或制造TMDC材料或TMDS单层的数种技术。

可以使用剥落来生产小尺寸的TMDC材料样品。通过从块体材料剥落TMDC单层，可以产生尺寸通常为5-10μm的小样品。但是，由于剥落过程的随机性，剥落不可用于生产较大样品和具有良好受控结构的样品。换言之，通过剥落生产的样品通常难以用于实际的器件制造。

用于生产TMDC材料的其他替代方法包括：硫化、原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)和固体源分子束外延生长(MBE)。

当通过硫化过程形成TMDC材料时，所使用的硫前体必须开裂从而能够结合并形成所需材料。通常通过将前体加热到足够升高的温度，来使用所讨论的前体的开裂。此外，硫化过程本身通常需要在基材具有提升的温度，这可能导致基材损坏以及在硫化过程之前潜在地形成任何结构。

在ALD中，可以一层接一层地生长单原子层，从而实现形成层状结构。但是，当通过ALD形成TMDC材料时，TMDC材料会需要经受高温退火过程，从而满足合理的质量要求。

此外，在CVD中，用于形成TMDC材料的反应物在高温(通常高于600℃)蒸发并传递到基材。然后使得反应物在基材发生反应，从而形成TMDC材料。

ALD和CVD工艺中所需的高温具有对所使用的基材造成破坏以及在所述过程之前潜在地形成任意结构的风险。

另一种方法是使用固体源MBE，其中，通过流出物小室(effusion cell)的方式蒸发纯的M和X并传递到基材。当使用MBE来制造TMDC材料时，X材料的高蒸气压带来了与X材料不合乎希望的蒸发相关的问题，导致已经处于中等温度的工具污染，从而使得使用固体源MBE没有那么诱人。

虽然现有技术已经存在用于制造TMDC材料的技术，但是在TMDC材料的大规模制造变得可行之前，仍然需要克服上文所述与不均匀性、样品尺寸、温度和污染相关的缺点。因此，需要改进的方法来制造或形成过渡金属二硫属化物(TMDC)材料层。

发明内容

基于上文所述，本发明概念的一个大致目标是提供在基材上形成过渡金属二硫属化物(TMDC)材料层的替代技术，其不存在或者至少减少了现有技术中的形成技术的缺陷。可以从下文理解其他目标：