[发明专利]一种超临界二氧化碳脉冲可控生长二维半导体薄膜的方法

说明书

一种超临界二氧化碳脉冲可控生长二维半导体薄膜的方法，属于纳米复合材料薄膜制备领域。本发明方法采用超临界二氧化碳作为输运介质，增加前驱体的浓度、降低生长温度、减少环境污染；通过脉冲控制区对前驱体流量精准调控，减少前驱体用量、降低制备成本；利用快速泄压形成晶种，益于二维半导体薄膜的生长、提高生长效率；选择不同的前驱体与合适载体可达到制备异质复合膜的目的；可解决CVD方法反应温度较高、薄膜质量不可控和ALD成膜效率低的问题。

技术领域

本发明涉及纳米复合材料薄膜制备领域，具体涉及一种超临界二氧化碳脉冲可控生长二维半导体薄膜的方法。

技术背景

二维半导体薄膜作为纳米材料的一个分支，因其在原子尺度上的精准制备，具有带隙可调、稳定性好、较高载流子迁移率和开关比，在集成电路和光电器件等领域拥有巨大应用前景。正因此，二维半导体薄膜的研制已经成为科研界和产业界关注的重点。

高质量的二维半导体薄膜多采用化学气相沉积法(CVD)制备。传统CVD技术工艺成熟、沉积速率较快，但存在一个矛盾之处：衬底材料往往不能承受较高的温度，但为了保证一定的沉积速率必须提高反应温度；同时，高温条件容易导致前驱体热分解，降低了前驱体的输送速率，影响薄膜性能。为了解决上述矛盾，由CVD衍生出了几种气相沉积方法，如低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子化学气相沉积(PCVD)和激光化学气相沉积(LCVD)。但上述三种方法都是通过改造设备的角度来解决CVD中沉积速率与温度之间的矛盾，或多或少存在着不足之处，而其共性问题就是沉积温度较高、原料利用率较低、且无法精准调控膜的成分。除CVD以外，利用化学反应自限性沉积薄膜的方法——原子层沉积法(ALD)亦是制备二维半导体薄膜较成熟的方法。将前驱体蒸气交替地沉积在载体上，通过物理、化学吸附作用使前驱体分子与载体发生化学自限反应来精准调控薄膜质量。但相比CVD方法，其沉积速率过慢很难达到量产水平；由于原子层的控制是来自于低温条件下的自限作用，导致前驱体选择的局限性。

本发明方法采用超临界二氧化碳作为输运介质，增加前驱体的浓度、降低生长温度、减少环境污染；通过脉冲控制区对前驱体流量精准调控，减少前驱体用量、降低制备成本；利用快速泄压形成晶种，益于二维半导体薄膜的生长、提高生长效率；选择不同的前驱体与合适载体可达到制备异质复合膜的目的；可解决CVD方法反应温度较高、薄膜质量不可控和ALD成膜效率低的问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种超临界二氧化碳脉冲可控生长二维半导体薄膜的方法。采用超临界二氧化碳作为输运介质，通过快速泄压成核和精准脉冲进料的周期生长模式，在较低温度下可控生长二维半导体薄膜的方法。

为达到上述目的，本发明技术方案如下：

一种超临界二氧化碳脉冲可控生长二维半导体薄膜的方法，步骤如下：

步骤一、将过量金属前驱体溶解在超临界二氧化碳中达到饱和状态；

步骤二、以一定流量通入定量的步骤一得到的含有金属前驱体的超临界二氧化碳；

步骤三、将超临界二氧化碳通入泄压成核反应区，使得泄压成核反应区温度和压力分别持续达到40-80℃、20-80MPa；

步骤四、对泄压成核反应区进行泄压直至0Mpa，在载体上生长晶种；

步骤五、将在泄压成核反应区中的载体局部加热，以一定流量通入定量的步骤一得到的含有金属前驱体的超临界二氧化碳；生长薄膜；

步骤六、将超临界二氧化碳通入泄压成核反应区进行反冲；

步骤七、非金属前驱体的添加，选择如下两种方式中的一种进行：

(1)将非金属前驱体溶解在超临界二氧化碳中；将溶解了非金属前驱体的超临界二氧化碳通入泄压成核反应区；然后向泄压成核反应区通入超临界二氧化碳，使得泄压成核反应区温度和压力分别持续达到40-80℃、20-80MPa；