[发明专利]种子层、包括所述种子层的异质结构体和使用所述种子层形成材料层的方法

说明书

描述了用于诱导成核以形成材料层(106)的种子层(102)。在一种实施方式中，种子层(102)包括具有如下无序原子结构的二维(2D)单层无定形材料的层：其适合于产生局域电子态以形成用于经由范德华(vdW)相互作用将吸附原子结合至种子层(102)的表面以形成所述材料层的电势阱，其中所述电势阱各自具有如下势能：其在大小上大于周围的热能以将吸附原子俘获在所述种子层的表面上。还描述了关于用于形成所述种子层的方法、包括种子层(102)的异质结构体100、用于形成包括所述种子层的所述异质结构体的方法(300)、包括所述异质结构体的器件和增强吸附原子和所述种子层的表面之间的vdW相互作用的方法的实施方式。在一种具体实施方式中，所述2D单层无定形材料的层为2D单层无定形碳。

技术领域

本公开内容涉及种子层(晶种层，seed layer)、包括所述种子层的异质结构体、以及使用所述种子层形成材料层的方法。

背景技术

异质材料的集成是制造高性能半导体器件的重要方面。例如，高速和高效的光电子器件例如发光二极管、红外(IR)传感器、光电探测器和太阳能电池通常涉及需要将第III-V族(GaAs、GaN、InP等)和第II-VI族(CdTe、CdS、ZnS、氧化物等)半导体与硅(Si)微电子集成在一起的多层异质结构体。此类集成的优点归因于由第III-V族或第II-VI族材料实现的出色的光电子性质，以及Si与互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的相容性和经济可行性。

用于形成此类多层异质结构体的常规技术是外延生长，其中生长于衬底上的材料外延层共价结合至下伏衬底材料。然而，需要满足严格的要求来实现此类多层异质结构体的合理品质，从而对于其普遍适用性具有限制。例如，由于第III-V族或第II-VI族材料与Si之间的热膨胀、极性和晶格失配，使用常规外延生长方法在Si上直接异质外延第III-V族或第II-VI族材料通常是不可能的。

克服此的一种方式是通过使用范德华外延(vdWE)技术。范德华外延(vdWE)技术基于吸附原子(adatom)和衬底表面之间的非共价相互作用。该非共价相互作用放宽了晶格对齐要求并且容许具有比较大失配的材料在彼此上生长。由于其与二维(2D)材料的生长的相容性，vdWE技术近年来已经成为推动半导体器件制造的令人感兴趣的材料生长方法。不幸的是，结晶性2D材料典型地在其表面上缺乏悬空键(dangling bond)并且因此提供非常低的表面能和在后续外延生长期间对于吸附原子的吸附能。这使得使用vdWE技术来生长异质结构体对于实现均匀的、无应变膜而言是挑战性的，对于后续外延生长而言其经常导致岛型生长、低生长速率和缺陷膜。这不经意间影响所得器件的器件性能。由于该vdWE技术中采用的弱的vdW相互作用，将三维(3D)材料集成在2D材料上是甚至更具挑战性的。该弱的vdW相互作用导致2D材料的表面被典型的3D材料非常低地润湿，从而导致形成不均匀的、应变的(strained)和成簇的3D材料膜，而不是均匀的、平面膜。

因此期望提供解决前述问题和/或提供有用替代方案的种子层、包括所述种子层的异质结构体、和使用所述种子层形成材料层的方法。进一步地，由结合附图以及本公开内容的背景技术考虑的后续详细描述以及所附权利要求，其它期望的特征和特性将变得明晰。

发明内容

本申请的方面涉及种子层、形成所述种子层的方法、包括所述种子层的异质结构体、包括所述异质结构体的器件、使用所述种子层形成材料层的方法、和增强吸附原子和所述种子层的表面之间的范德华(vdW)相互作用的方法。

根据第一方面，提供用于诱导成核以形成材料层的种子层。所述种子层包括具有如下无序原子结构的二维(2D)单层无定形材料的层：其适合于产生(多个)局域电子态以形成用于经由范德华(vdW)相互作用将吸附原子结合至所述种子层的表面以形成所述材料层的(多个)电势阱，其中所述(多个)电势阱各自具有如下势能：其在大小上大于周围热能以将吸附原子俘获在所述种子层的表面上。