[发明专利]二维材料异质结结构及其制备方法和应用、光电器件

说明书

本发明提供了一种二维材料异质结结构及其制备方法和应用、光电器件，涉及半导体技术领域，二维材料异质结结构包括：生长于衬底的单原子层或多原子层X‑Y烯异质结薄膜，每层所述X‑Y烯异质结薄膜中X和Y相拼接形成共价键异质结结构；其中，X和Y独立地选自VA族元素且不相同。本发明的二维材料异质结结构在二维材料内部形成稳定的共价键异质结结构，解决了传统二维材料无法形成真正单原子层的二维异质结，并且所形成的异质结是由范德瓦尔斯力所维系的，材料的稳定性不佳的问题。同时，层内异质结的构成也使得器件制备更加灵活，可以构建层内‑层间异质结复合结构，使得器件性质控制更加多样化。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种二维材料异质结结构及其制备方法和应用、光电器件。

背景技术

目前半导体器件集成度与日俱增，截止到2020年半导体器件已经迈入到5nm工艺制程范围。然而随着工艺制程的提高，其也越来越接近传统摩尔定律的物理极限，这最终将限制半导体器件的发展。为了突破这一物理限制，近些年出现了以石墨烯为代表的二维材料，这些二维材料由单个原子层或几个原子层所构成，厚度仅有十几个埃甚至几个埃，能够有效地提高芯片集成度，从而延续摩尔定律，使半导体工业继续发展。此外二维材料还展现出很多和母体材料截然不同的特性，如更高的载流子迁移率、间接带隙向直接带隙转变、随层数而可调的带隙宽度、对外界电场调控敏感等优点，这就使得二维材料除了在半导体集成电路领域具有广阔的前景外，还在光电子方向等领域也有着非比寻常的应用潜力。

异质结结构是传统半导体器件的基本构型，通过改变异质结结构的材料组成、掺杂浓度、几何结构等参数可以对器件性能进行有效调控，这一点对于二维材料也不例外。由于二维材料种类繁多，涵盖了金属、半金属和半导体等各种带隙类型的材料，带隙宽度则横跨紫外到远红外广阔光谱区间，因而可以通过对不同二维材料的排列组合，从而形成新的人工材料，以解决现有材料体系面临的困境。因此，随着近些年人们对二维材料异质结研究逐渐深入，其在光电探测、电声转换、压电换能、场效应管等诸多领域有着巨大的应用潜力。

目前二维材料异质结结构均是在垂直于衬底的方向上，由不同的二维材料层与层之间形成异质结结构，其中层内原子依靠共价键进行结合，而层间则是通过范德瓦尔斯力的结合形成异质结。其制备方法主要包括两种，即机械转移堆叠法和化学气相沉积法。其中机械转移堆叠法是通过机械手段将两种或者多种二维材料按照需要的顺序逐层堆叠，并通过范德瓦尔斯力将两种材料固定。而化学气相沉积法则可以分为两类，其一是通过化学反应一次性实现二维异质结生长，其二是在之前生长/剥离的二维材料表面再进行二维材料的CVD生长，最终形成异质结结构。

目前二维材料异质结在结构和制备上存在以下问题：

1、垂直衬底方向上形成的二维材料异质结无法形成真正单原子层的二维异质结，并且所形成的异质结是由范德瓦尔斯力所维系的，材料的稳定性并不如传统异质结的共价键结构。

2、对于机械剥离法制备出二维材料异质结重复性较差，每次异质结的堆叠均会在晶格取向、层厚、几何形貌上出现差异，这样就会导致最终的器件出现较大的性能波动，并且难以大规模生产。而由于CVD本身生长温度等生长参数的限制，化学气相沉积制备出的异质结材料晶体质量没有机械剥离法制备出的材料高，导致异质结整体性能逊色于机械剥离法制备出的二维材料异质结。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种二维材料异质结结构，能够解决上述问题中的至少一个。

本发明的目的之二在于提供一种上述二维材料异质结结构的制备方法。

本发明的目的之三在于提供一种上述二维材料异质结结构在光电探测、电声转换、压电换能或场效应管领域中的应用。

本发明的目的之四在于提供一种包括上述二维材料异质结结构的光电器件。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：