一種單層二硫化鉬薄膜的制備方法與流程

本發明涉及化學氣相沉積制備技術領域，具體涉及一種單層二硫化鉬薄膜的制備方法。

背景技術：

隨著硅基集成電路技術中器件的特征尺寸越來越小，已經達到了器件物理的極限。二硫化鉬是過渡金屬硫化物的一種二維材料，隨著層數減小到單層，其帶隙能從1.2ev增加到1.8ev，由間接帶隙半導體變為直接帶隙半導體，表現出比表面積大、發光效率增加等優點。尤其是二硫化鉬作為場效應器件的溝道材料時表現出短溝道效應的免疫作用，改善了目前硅基器件存在的缺陷。其次，由于優越的光物質相互作用、軌道自旋耦合等新奇的物理屬性，為二硫化鉬在光電子器件、自旋電子學領域的應用提供了發展空間。

目前制備二硫化鉬的主要方法有機械剝離法、液相超聲剝離法、物理氣相淀積法和化學氣相淀積法。機械剝離法雖然能制備出質量較高的納米片，但不能獲得大面積二硫化鉬薄膜，物理氣相淀積法制備的薄膜遷移率較低，不能滿足器件的應用要求。化學氣相淀積法可用于制備大面積連續薄膜，但大多數方法中襯底和鉬源距離較近，鉬源蒸發溫度和生長溫度不能分別控制，導致襯底上成核密度增加，沿氣流方向層數變化范圍大。因此，對于大面積單層可控薄膜的制備依然亟待解決。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種單層二硫化鉬薄膜的制備方法，實現了鉬源蒸發溫度、成核溫度和生長溫度的分別控制，大大降低了反應物濃度，有利于降低成核期的成核密度，實現了單層二硫化鉬薄膜的大面積生長。

本發明所采用的技術方案是，一種單層二硫化鉬薄膜的制備方法，包括以下步驟：

步驟1，通過使用真空管式爐設置三個溫區，將硫粉置于一溫區；將三氧化鉬粉置于二溫區；將襯底放在帶蓋的坩堝底部，然后將坩堝放置在三溫區；

步驟2，向真空管式爐中通載氣；

步驟3，第一加熱階段：將二溫區加熱到150～350℃，將三溫區加熱到150～350℃，保持60～180min；

步驟4，第二加熱階段：將二溫區加熱到580～800℃，保持5～20min，得氣態的moo3-x，其中0<x≤1；將三溫區加熱到550～750℃，保持5～20min；

步驟5，第三加熱階段：加熱一溫區到130～220℃，保持10～60min，得到硫蒸氣；將二溫區加熱到800℃～950℃，將三溫區加熱到750℃～900℃，保持10～60min；通過所述載氣將所述硫蒸氣及所述氣態的moo3-x攜帶至坩堝反應腔內，在襯底表面形成單層二硫化鉬薄膜。

本發明的特點還在于，

步驟1中，硫粉與三氧化鉬粉質量比為：1：20～1：150。

步驟1中，所述襯底為硅、鍺、碳化硅、氧化硅、藍寶石、云母、氮化鎵或石英。

步驟2中所述載氣為高純氮氣、氬氣、稀釋氫氣或高純惰性氣體，通入載氣的流速為100～500ccm。

步驟5中，調整載氣流速至10～80ccm。

步驟3中第一加熱階段二溫區及三溫區的升溫速率為5～30℃/min。

步驟4中第二加熱階段二溫區及三溫區的升溫速率為15～50℃/min。

步驟5中第三加熱階段一溫區的升溫速率為20～40℃/min。

步驟5中第三加熱階段二溫區及三溫區的升溫速率為5～50℃/min。

本發明一種單層二硫化鉬薄膜的制備方法的有益效果是，避免了傳統化學氣相淀積過程中鉬源蒸發溫度和生長溫度不可獨立控制所導致的成核密度過高，層數不可控，同時這種方法的突出優點是將襯底置于準封閉坩堝內，降低了反應源的成核密度，獲得了單層二硫化鉬薄膜。

附圖說明

圖1是本發明一種單層二硫化鉬薄膜的制備方法中使用的真空管式爐的結構示意圖；

圖2是本發明制備得到的單層二硫化鉬薄膜的光學顯微鏡圖；

圖3是本發明制備得到的單層二硫化鉬薄膜的sem圖；

圖4是本發明制備得到的單層二硫化鉬薄膜的拉曼圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。

本發明的一種單層二硫化鉬薄膜的制備方法，

一種單層二硫化鉬薄膜的制備方法，包括以下步驟：

步驟1，通過使用真空管式爐設置三個溫區，將硫粉置于一溫區；將三氧化鉬粉置于二溫區；將襯底放在帶蓋的坩堝底部，然后將坩堝放置在三溫區；

步驟2，向真空管式爐中通載氣；

步驟3，第一加熱階段：將二溫區加熱到150～350℃，將三溫區加熱到150～350℃，保持60～180min；

步驟4，第二加熱階段：將二溫區加熱到580～800℃，保持5～20min，得氣態的moo3-x，其中0<x≤1；將三溫區加熱到550～750℃，保持5～20min；

步驟5，第三加熱階段：加熱一溫區到130～220℃，保持10～60min，得到硫蒸氣；將二溫區加熱到800℃～950℃，將三溫區加熱到750℃～900℃，保持10～60min；通過所述載氣將所述硫蒸氣及所述氣態的moo3-x攜帶至坩堝反應腔內，在襯底表面形成單層二硫化鉬薄膜。

步驟1中，硫粉與三氧化鉬粉質量比為：1：20～1：150。

步驟1中，所述襯底為硅、鍺、碳化硅、氧化硅、藍寶石、云母、氮化鎵或石英。

步驟2中所述載氣為高純氮氣、氬氣、稀釋氫氣或高純惰性氣體，通入載氣的流速為100～500ccm。

步驟5中，調整載氣流速至10～80ccm。

步驟3中第一加熱階段二溫區及三溫區的升溫速率為5～30℃/min。

步驟4中第二加熱階段二溫區及三溫區的升溫速率為15～50℃/min。

步驟5中第三加熱階段一溫區的升溫速率為20～40℃/min。

步驟5中第三加熱階段二溫區及三溫區的升溫速率為5～50℃/min。

本發明采用的是準封閉坩堝法來制備二硫化鉬薄膜，準封閉坩堝是指在一般的坩堝上增加一個蓋子，讓坩堝內部通過坩堝和坩堝蓋形成一個準封閉的環境，但坩堝蓋和坩堝之間存在氣體可以流通的縫隙，其原理為：在真空管式爐中設置三個溫區如圖1所示，硫源、鉬源、坩堝分別裝到真空管式爐的指定位置即，將硫粉置于一溫區；將三氧化鉬粉置于二溫區；將襯底放在帶蓋的坩堝底部，然后將坩堝放置在三溫區，通入載氣。二溫區升溫至蒸發溫度，同時，使硫源到達蒸發溫度，隨著硫源和鉬源開始蒸發，鉬硫氣相隨載氣輸運至坩堝周圍，并通過準密封的坩堝蓋和坩堝之間的縫隙到達襯底表面，開始預成核；隨著鉬硫氣相的進一步增加以及鉬硫的反應，二硫化鉬氣相增加。為防止隨著硫源蒸發增加，部分鉬源表面硫化形成二硫化鉬包裹的三氧化鉬，鉬源區溫度開始以設定的升溫速率增加至更高的蒸發溫度，保證了反應所需的鉬源，同時，為避免鉬源蒸發濃度過高，影響薄膜表面形貌，增加生長溫度至更高溫度。隨著二硫化鉬氣相的增加以及硫鉬源的不斷反應，在坩堝內由于鉬源的自限制，襯底表面逐漸形成了大面積單層二硫化鉬薄膜。

圖1是本發明所使用的制備裝置結構示意圖，圖中清楚的表示了三溫區系統的組成部分，反應源和襯底的放置位置。

圖2及圖3是本發明制備得到的單層二硫化鉬薄膜的光學顯微鏡圖和sem圖，從圖中可以看出制備得到的單層二硫化鉬薄膜實現了大面積均勻覆蓋。

圖4是本發明制備得到的單層二硫化鉬薄膜的拉曼圖，從圖中可以看出所制備得到的單層二硫化鉬薄膜的拉曼特征峰為384±0.5cm^-1和404±0.5cm^-1，二者之差為20±0.5cm^-1，拉曼測試結果表明所制備的薄膜是單層薄膜。

實施例1

步驟1，如圖1所示，通過使用真空管式爐設置三個溫區，將純度為99.99％硫粉放置在剛玉舟中，置于一溫區；將純度為99.99％三氧化鉬粉放置在剛玉舟中，置于二溫區，其中硫粉與三氧化鉬粉質量比為：1：20；選取c面藍寶石作為襯底，并對襯底進行清洗；吹干后放置在準封閉坩堝中，置于三溫區。

步驟2，向真空管式爐中通載氣：高純氮氣，通入載氣的流速為100ccm；

步驟3，第一加熱階段：將二溫區加熱到150℃，將三溫區加熱到150℃，保持180min；二溫區及三溫區的升溫速率為5℃/min；

步驟4，第二加熱階段：將二溫區加熱到580℃，保持5min，得氣態的moo3-x，其中0<x≤1；將三溫區加熱到550℃，保持5min；二溫區及三溫區的升溫速率為15℃/min；

步驟5，第三加熱階段：加熱一溫區到130℃，保持60min，得到硫蒸氣；將二溫區加熱到800℃，將三溫區加熱到750℃，保持60min；一溫區的升溫速率為20℃/min，二溫區及三溫區的升溫速率為5℃/min；調整高純氮氣流速至80ccm，通過載氣將硫蒸氣及氣態的moo3-x攜帶至坩堝反應腔內，在襯底表面形成單層二硫化鉬薄膜。

步驟6，打開一溫區的真空管式爐，自然降溫至室溫，停止硫源的供應，二、三溫區在所述載氣保護下降溫至500℃以下，打開二、三溫區爐子，開始自然降溫至室溫。

實施例2

步驟1，如圖1所示，通過使用真空管式爐設置三個溫區，將純度為99.99％硫粉放置在剛玉舟中，置于一溫區；將純度為99.99％三氧化鉬粉放置在剛玉舟中，置于二溫區，其中硫粉與三氧化鉬粉質量比為：1：50；選取c面藍寶石作為襯底，并對襯底進行清洗；吹干后放置在準封閉坩堝中，置于三溫區。

步驟2，向真空管式爐中通載氣：高純氮氣，通入載氣的流速為100ccm；

步驟3，第一加熱階段：將二溫區加熱到200℃，將三溫區加熱到200150℃，保持100min；二溫區及三溫區的升溫速率為10℃/min；

步驟4，第二加熱階段：將二溫區加熱到650℃，保持10min，得氣態的moo3-x，其中0<x≤1；將三溫區加熱到600℃，保持10min；二溫區及三溫區的升溫速率為20℃/min；

步驟5，第三加熱階段：加熱一溫區到160℃，保持40min，得到硫蒸氣；將二溫區加熱到850℃，將三溫區加熱到800℃，保持40min；一溫區的升溫速率為30℃/min，二溫區及三溫區的升溫速率為20℃/min；調整高純氮氣流速至50ccm，通過載氣將硫蒸氣及氣態的moo3-x攜帶至坩堝反應腔內，在襯底表面形成單層二硫化鉬薄膜。

步驟6，打開一溫區的真空管式爐，自然降溫至室溫，停止硫源的供應，二、三溫區在所述載氣保護下降溫至500℃以下，打開二、三溫區爐子，開始自然降溫至室溫。

實施例3

步驟1，如圖1所示，通過使用真空管式爐設置三個溫區，將純度為99.99％硫粉放置在剛玉舟中，置于一溫區；將純度為99.99％三氧化鉬粉放置在剛玉舟中，置于二溫區，其中硫粉與三氧化鉬粉質量比為：1：100；選取c面藍寶石作為襯底，并對襯底進行清洗；吹干后放置在準封閉坩堝中，置于三溫區。

步驟2，向真空管式爐中通載氣：高純氮氣，通入載氣的流速為250ccm；

步驟3，第一加熱階段：將二溫區加熱到300℃，將三溫區加熱到300℃，保持140min；二溫區及三溫區的升溫速率為20℃/min；

步驟4，第二加熱階段：將二溫區加熱到750℃，保持15min，得氣態的moo3-x，其中0<x≤1；將三溫區加熱到600℃，保持15min；二溫區及三溫區的升溫速率為30℃/min；

步驟5，第三加熱階段：加熱一溫區到170℃，保持20min，得到硫蒸氣；將二溫區加熱到900℃，將三溫區加熱到850℃，保持20min；一溫區的升溫速率為30℃/min，二溫區及三溫區的升溫速率為30℃/min；調整高純氮氣流速至30ccm，通過載氣將硫蒸氣及氣態的moo3-x攜帶至坩堝反應腔內，在襯底表面形成單層二硫化鉬薄膜。

步驟6，打開一溫區的真空管式爐，自然降溫至室溫，停止硫源的供應，二、三溫區在所述載氣保護下降溫至500℃以下，打開二、三溫區爐子，開始自然降溫至室溫。

實施例4

步驟1，如圖1所示，通過使用真空管式爐設置三個溫區，將純度為99.99％硫粉放置在剛玉舟中，置于一溫區；將純度為99.99％三氧化鉬粉放置在剛玉舟中，置于二溫區，其中硫粉與三氧化鉬粉質量比為：1：150；選取c面藍寶石作為襯底，并對襯底進行清洗；吹干后放置在準封閉坩堝中，置于三溫區。

步驟2，向真空管式爐中通載氣：高純氮氣，通入載氣的流速為500ccm；

步驟3，第一加熱階段：將二溫區加熱到350℃，將三溫區加熱到350℃，保持60min；二溫區及三溫區的升溫速率為30℃/min；

步驟4，第二加熱階段：將二溫區加熱到800℃，保持20min，得氣態的moo3-x，其中0<x≤1；將三溫區加熱到750℃，保持20min；二溫區及三溫區的升溫速率為50℃/min；

步驟5，第三加熱階段：加熱一溫區到220℃，保持10min，得到硫蒸氣；將二溫區加熱到950℃，將三溫區加熱到900℃，保持10min；一溫區的升溫速率為40℃/min，二溫區及三溫區的升溫速率為50℃/min；調整高純氮氣流速至10ccm，通過載氣將硫蒸氣及氣態的moo3-x攜帶至坩堝反應腔內，在襯底表面形成單層二硫化鉬薄膜。

步驟6，打開一溫區的真空管式爐，自然降溫至室溫，停止硫源的供應，二、三溫區在所述載氣保護下降溫至500℃以下，打開二、三溫區爐子，開始自然降溫至室溫。

實施例5

步驟1，如圖1所示，通過使用真空管式爐設置三個溫區，將純度為99.99％硫粉放置在剛玉舟中，置于一溫區；將純度為99.99％三氧化鉬粉放置在剛玉舟中，置于二溫區，其中硫粉與三氧化鉬粉質量比為：1：100；選取c面藍寶石作為襯底，并對襯底進行清洗；吹干后放置在準封閉坩堝中，置于三溫區。

步驟2，向真空管式爐中通載氣：高純氬氣，通入載氣的流速為100ccm；

步驟3，第一加熱階段：將二溫區加熱到300℃，將三溫區加熱到300℃，保持140min；二溫區及三溫區的升溫速率為20℃/min；

步驟4，第二加熱階段：將二溫區加熱到750℃，保持15min，得氣態的moo3-x，其中0<x≤1；將三溫區加熱到600℃，保持15min；二溫區及三溫區的升溫速率為30℃/min；

步驟5，第三加熱階段：加熱一溫區到170℃，保持20min，得到硫蒸氣；將二溫區加熱到900℃，將三溫區加熱到850℃，保持20min；一溫區的升溫速率為30℃/min，二溫區及三溫區的升溫速率為30℃/min；調整高純氬氣流速至30ccm，通過載氣將硫蒸氣及氣態的moo3-x攜帶至坩堝反應腔內，在襯底表面形成單層二硫化鉬薄膜。

步驟6，打開一溫區的真空管式爐，自然降溫至室溫，停止硫源的供應，二、三溫區在所述載氣保護下降溫至500℃以下，打開二、三溫區爐子，開始自然降溫至室溫。

實施例6

步驟1，如圖1所示，通過使用真空管式爐設置三個溫區，將純度為99.99％硫粉放置在剛玉舟中，置于一溫區；將純度為99.99％三氧化鉬粉放置在剛玉舟中，置于二溫區，其中硫粉與三氧化鉬粉質量比為：1：100；選取280nmsio2/p⁺si作為襯底，并對襯底進行清洗；吹干后放置在準封閉坩堝中，置于三溫區。

步驟2，向真空管式爐中通載氣：高純氮氣，通入載氣的流速為100ccm；

步驟3，第一加熱階段：將二溫區加熱到300℃，將三溫區加熱到300℃，保持140min；二溫區及三溫區的升溫速率為20℃/min；

步驟4，第二加熱階段：將二溫區加熱到750℃，保持15min，得氣態的moo3-x，其中0<x≤1；將三溫區加熱到600℃，保持15min；二溫區及三溫區的升溫速率為30℃/min；

步驟5，第三加熱階段：加熱一溫區到170℃，保持20min，得到硫蒸氣；將二溫區加熱到900℃，將三溫區加熱到850℃，保持20min；一溫區的升溫速率為30℃/min，二溫區及三溫區的升溫速率為30℃/min；調整高純氮氣流速至30，通過載氣將硫蒸氣及氣態的moo3-x攜帶至坩堝反應腔內，在襯底表面形成單層二硫化鉬薄膜。

步驟6，打開一溫區的真空管式爐，自然降溫至室溫，停止硫源的供應，二、三溫區在所述載氣保護下降溫至500℃以下，打開二、三溫區爐子，開始自然降溫至室溫。

實施例7

步驟1，如圖1所示，通過使用真空管式爐設置三個溫區，將純度為99.99％硫粉放置在剛玉舟中，置于一溫區；將純度為99.99％三氧化鉬粉放置在剛玉舟中，置于二溫區，其中硫粉與三氧化鉬粉質量比為：1：100；選取4h-sic作為襯底，并對襯底進行清洗；吹干后放置在準封閉坩堝中，置于三溫區。

步驟2，向真空管式爐中通載氣：高純氮氣，通入載氣的流速為100ccm；

步驟3，第一加熱階段：將二溫區加熱到300℃，將三溫區加熱到300℃，保持140min；二溫區及三溫區的升溫速率為20℃/min；

步驟4，第二加熱階段：將二溫區加熱到750℃，保持15min，得氣態的moo3-x，其中0<x≤1；將三溫區加熱到600℃，保持15min；二溫區及三溫區的升溫速率為30℃/min；

步驟5，第三加熱階段：加熱一溫區到170℃，保持20min，得到硫蒸氣；將二溫區加熱到900℃，將三溫區加熱到850℃，保持20min；一溫區的升溫速率為30℃/min，二溫區及三溫區的升溫速率為30℃/min；調整高純氮氣流速至30，通過載氣將硫蒸氣及氣態的moo3-x攜帶至坩堝反應腔內，在襯底表面形成單層二硫化鉬薄膜。

步驟6，打開一溫區的真空管式爐，自然降溫至室溫，停止硫源的供應，二、三溫區在所述載氣保護下降溫至500℃以下，打開二、三溫區爐子，開始自然降溫至室溫。

本發明的一種單層二硫化鉬薄膜的制備方法有如下優點：避免了傳統化學氣相淀積過程中鉬源蒸發溫度和生長溫度不可獨立控制所導致的成核密度過高，層數不可控，同時這種方法的突出優點是將襯底置于準封閉坩堝內，降低了反應源的成核密度，獲得了單層二硫化鉬薄膜。