[发明专利]一种化学气相沉积制备二硒化钨单晶薄膜的方法

说明书

本发明公开了一种化学气相沉积制备二硒化钨单晶薄膜的方法，该方法包括：以钨的氧化物粉末、卤化盐、硒粉为原料，惰性气体为载气，将原料蒸发成气态并输送到基片上沉积生长二硒化钨薄膜。通过控制原料配比、生长温度、生长时间、载气流量等手段控制薄膜厚度。利用本发明，可以在无氢环境下，在600‑800摄氏度下生长50um以上，层数可控的二硒化钨薄膜。

技术领域

本发明属于化学气相沉积法制备薄膜的工艺，尤其是提供了一种无氢、低温、常压化学气相沉积法制备二硒化钨单晶薄膜的方法，涉及一种独特的过渡金属硫属化合物薄膜的制备。

背景技术

二硒化钨（WSe2）是一种p型半导体材料，具有理想的禁带宽度，为1.3电子伏特，理论预计二硒化钨的场效应晶体管不仅有高达500平方厘米每伏每秒的载流子迁移率，更能获得10⁸的高开关比，且其热导率是材料中最低的，可以降低电子器件的能量损耗。另一方面，单层二硒化钨薄膜是一种直接带隙半导体，禁带宽度为1.6-1.7电子伏特，相比间接带隙的体材料，具有高效的荧光效率。其次，过渡金属元素d轨道电子的强自旋轨道耦合效应，使得单层二硒化钨产生了能谷量子态。因此，这种与石墨烯类似的新型二维材料，不仅能在未来半导体、微纳电子器件领域有广泛的应用，同时也对未来凝聚态物理学与光电子学领域的研究有重要的意义。

目前制备二硒化钨薄膜的方法主要包括：机械剥离法，化学剥离法、物理气相沉积法和化学气相沉积法。机械剥离法和化学剥离法制备的单层二硒化钨薄膜尺寸小，且层数不均匀，无法满足微电子集成工艺的要求。气相沉积法被认为是一种有效生长二硒化钨薄膜的方法。物理气相沉积法虽然能生长较大尺寸的薄膜片，但需要0.1托以上的真空度和960摄氏度作为生长条件。化学气相沉积法则可以实现比物理气相沉积低的温度下生长结晶质量高、大尺寸的二硒化钨薄膜片。目前的化学气相沉积法多采用纯的氧化钨粉末和硒粉作为原料，氢气为辅助气体，在0.1托以上高真空和925摄氏度沉积得到二硒化钨薄膜，尽管相比物理沉积温度有所下降，但仍需高的沉积温度和氢气辅助反应，造成薄膜成膜面积小、层数不均、结晶质量不高等缺点。如何能实现在降低沉积温度和无氢催化的情况下获得结晶质量高、大尺寸、层数可控的二硒化钨薄膜已经成为目前二维半导体材料领域研究的重点之一。这一技术的突破不仅会带动类似晶体结构的二维材料，如大尺寸单层二硫化钨等制备工艺的突破，也是未来新型半导体材料、微电子集成领域发展的重要推进力。因此，结晶质量高、大尺寸、层数可控的二硒化钨薄膜的生长技术具有巨大的市场前景。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种通过控制生长衬底的清洗方法、钨源混合物配比、惰性气体的流量等手段来控制形核率，通过控制生长温度、生长时间、氢气流量等手段控制薄膜厚度和质量生长条件高效生长结晶质量高、大尺寸的化学气相沉积制备二硒化钨单晶薄膜的方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案，一种化学气相沉积制备二硒化钨单晶薄膜的方法，该方法以钨的氧化物粉末、卤化盐、硒粉为原料，惰性气体为载气，采用化学气相沉积法，双温区加热生长，实现无氢催化、常压生长结晶质量高的硒化钨薄膜。

进一步，该方法的具体步骤为：

步骤1.生长衬底的处理：生长衬底先后放入丙酮、乙醇、去离子水，在上述每种溶液中各超声清洗20分钟后，取出，氮气吹干；

步骤2.钨源制备：按质量比例称取钨的氧化物粉末和卤化盐混合，用研钵将混合粉末研磨并混合均匀，混合物颗粒特征尺寸为0.5-2微米；

步骤3.惰性气体保护：先对石英管内抽真空，再通入保护性气体来排除石英管内空气，恢复管内常压；