[发明专利]一种毫米量级硫化钨单晶的生长方法

说明书

本发明涉及一种毫米量级硫化钨单晶的生长方法,采用半封闭方式，在生长开始前引入极少量的NaCl颗粒，采用的NaCl颗粒能够在相对较低的温度下（约800℃）形成含有W的化合物，进而能够在CVD生长温度下有效的提升WS₂生长过程中W源的过饱和度，进而实现单晶尺寸的扩大。通过采用这种方法能够将WS₂单晶尺寸扩大至1.5mm，而常规生长方法获得的WS₂单晶尺寸通常仅为数十微米。显著提高成核过程中钨源的过饱和度，使得成核生长过程中衬底表面钨源供应充足，保证生长的顺利进行，能够显著增大硫化钨单晶的晶畴尺寸，利于毫米量级硫化钨单晶的生长。

技术领域

本发明涉及采用CVD法制备硫化钨单晶工艺，特别涉及一种毫米量级硫化钨单晶的生长方法。

背景技术

二维WS₂是过渡金属硫化物中的典型代表，是典型的二维层状材料，单层的WS₂为直接带隙半导体材料，迁移率超过1000cm²/V.s，远高于同等厚度下硅材料的迁移率；WS₂表面无悬挂键，能够在复杂的环境中保持良好的稳定性；WS₂基场效应晶体管具有超低的晶态功耗，它的运用将能够显著降低系统功耗。此外，WS₂具有优异的光学性能，良好的机械柔韧性。为此，WS₂在微电子以及柔性光电子等领域有着潜在的应用前景。

目前研究人员采用CVD法已经能够获得晶圆级的WS₂单层连续薄膜，但是这种连续膜薄膜往往由不同位置自发成核的单晶合并生长获得的，而这些自发成核的单晶往往具有不同的晶向，所以这种连续膜中往往存在大量的晶界，而晶界处往往是缺陷富集处，导致薄膜质量严重下降，严重降低了WS₂材料的迁移率。所以进行大晶畴尺寸WS₂单晶的生长研究是WS₂研究进程中必须要解决的问题。目前采用CVD法制备的WS₂晶畴尺寸仅为数十微米，难以获得具有大晶畴尺寸的WS₂单晶。

目前CVD法进行WS₂单晶生长过程中主要采用三氧化钨作为W源，高纯硫粉作为硫源，在一定生长条件下加热的硫蒸汽随着载气的输运到达三氧化钨源区，与三氧化钨进行反应获得降解的含钨氧化物，这种降解的W的化合物沉积在衬底的表面，随着硫蒸汽的持续供应，W的氧化物被完全硫化，获得WS₂薄膜材料。在WS₂单晶生长的过程中主要的难点在于成核及生长过程中W源的过饱和度过低，过低的W源过饱和度使得衬底面无法获得所需要的W的过饱和度，进而导致晶畴尺寸难以扩大。造成W源过饱和度过低的主要原因是三氧化钨的熔点高达1473℃，而常规的CVD生长系统温度为1200℃，所以在生长的过程中W源的过后饱和度难以满足大晶畴尺寸单晶WS₂生长的需求。所以如何采取有效的措施提高W源的过饱和度，实现毫米量级WS₂单晶的稳定生长，是WS₂研究过程中急需解决的难题。

发明内容