晶圆级MSe2二维材料制备及其应用研究

摘要

近年来，因其优异的光电子学、电子学、化学和机械学性能，二维（2D）层状结构过渡金属二硫族化合物（TMDs）受到广泛关注，就电子学和光电子学而言，具有半导体特性的TMDs最为重要，虽然，人们已经演示了其在电子学和光电子学中的巨大应用潜力，但要实现TMDs从实验室概念器件演示到实质工业应用，仍有许多基础和技术问题需要解决，其中，晶圆级二维材料的可控制备仍然面临许多挑战。虽然，人们尝试了各种方法制备晶圆级少层及单层TMDs薄膜，但仍然缺乏层数可控的晶圆级外延单晶薄膜制备的有效方法。本论文以MSe2为研究对象，其中过渡金属M选为Mo，围绕晶圆级TMDs的可控制备这一技术目标，分别采用原子层沉积（ALD）技术和分子束外延（MBE）技术，开展晶圆级均匀连续的2D MoSe2薄膜制备研究，结合微观结构及电学特性测量，初步探索了所制备MoSe2薄膜的器件应用，论文的整体研究工作如下： 基于ALD沉积的自限制生长模式在薄膜厚度控制方面的优势，论文以Mo(CO)6作为Mo源，采用氧等离子体作为氧源，先开展了MoO3薄膜的ALD生长工艺研究，在生长温度为162℃时，实现了原子层沉积模式，生长速率为0.076nm/cycle，通过ALD沉积周期数实现了所沉积MoO3薄膜厚度的精确控制，在此基础上，对所制备MoO3薄膜进行了晶化处理，表征了其晶体结构和形貌特征变化，并测量了所沉积MoO3薄膜的光学性质和介电特性，结果显示：所沉积MoO3薄膜的禁带宽度约为4eV，介电常数约为17，在1V偏压下，薄膜的纵向漏电电流仅为6.43×10-7A/cm2，绝缘特性良好。 在实现了MoO3薄膜厚度控制的基础上，论文进一步利用双温区CVD设备，在富Se的气氛下，对所沉积MoO3薄膜进行硒化处理，以制备MoSe2薄膜（为了描述简便，本论文称该方法为“两步法”），对所制备MoSe2薄膜的结构、组分、形貌、厚度和均匀性进行了表征。表征结果显示：在优化条件下，所制备的MoSe2薄膜为晶圆级均匀连续的少层二维材料，所制备MoSe2薄膜的层数与MoO3薄膜ALD沉积的周期数具有强列的线性关系，因此，通过控制MoO3薄膜ALD沉积周期数，实现了所制备MoSe2薄膜层数的准确控制。论文采用光刻工艺，研制了叉指电极结构的光电导器件和背栅结构的场效应晶体管（FET），表征了“两步法”所制备MoSe2薄膜的光电特性和电学特性。通过在MoSe2薄膜表面不同区域所制备叉指电极结构光电导器件的性能统计显示：所制备晶圆级MoSe2薄膜面内均匀性良好，且少层MoSe2薄膜具有优异光电响应特性，在638nm波长的光照下，其光电导器件的光/暗电流比达到690，响应时间约为22ms，器件的光响应度约100A/W，外量子效率（EQE）值约为19668%，器件的比探测率D*值高达2×1013Jones。此外，基于背栅结构的FET性能测试结果显示：采用两步法所制备的2H-MoSe2为p型导电特性，载流子沟道迁移率为0.08cm2V-1s-1。 虽然，基于ALD技术的“两步法”在层数控制方面具有优势，但在硒化处理阶段，薄膜也同时经历着固相外延的过程，由于MoO3和MoSe2的层间van der Waals（VdWs）结合特点，固相外延生长MoSe2薄膜的成核位置和成核密度难以有效调控，导致所制备MoSe2薄膜呈现出多晶结构特征。为了提高所制备晶圆级MoSe2薄膜的晶体质量，本论文进一步采用MBE技术生长了MoSe2薄膜。为此，论文以高纯MoSe2颗粒和Se颗粒为源料，分别采用电子束蒸发器和低温束源炉产生MoSe2和Se分子束流，以Si、SiO2/Si、Graphene（Gr）/Si和Gr/SiO2/Si为衬底，研究了MoSe2薄膜的制备（本论文称该方法为“一步法”），并采用原子力显微技术（AFM）、透射电子显微镜技术（TEM）、拉曼光谱分析技术等手段，对“一步法”制备的MoSe2薄膜进行了表征。研究结果显示：所生长材料连续均匀，且为六角晶体结构的2H-MoSe2薄膜，与“两步法”相比，在确保晶圆级薄膜层数控制的基础上，显著提高了所制备MoSe2薄膜的晶体质量。在优化的生长温度下，通过控制沉积速率和沉积时间，实现了所生长MoSe2薄膜原子层数的有效控制，成功制备出3层和7层的MoSe2薄膜，其中，7层MoSe2薄膜的禁带宽度约为1.42eV。 在制备出了高质量MoSe2薄膜的基础上，论文采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）辅助转移方法，实现了晶圆级MoSe2薄膜的完整转移，并采用光刻工艺，研制了叉指电极结构的光电导器件和背栅结构的FET，表征了“一步法”所制备MoSe2薄膜的光电特性和电学特性。研究结果显示，采用“一步法”所制备MoSe2薄膜具有优异的光电响应特性，在600nm波长的光照下，其光电导器件的光响应度约为120A/W，响应时间约为40ms，比探测率D*约为3.6×1013Jones。但与“两步法”所制备MoSe2薄膜的p型导电特性不同，采用“一步法”所制备的MoSe2薄膜表现为n型导电特性，且其FET呈现出双极型特性，空穴沟道迁移率大约为0.01cm2V-1s-1。 在MoSe2薄膜晶体质量改善的基础上，论文构造了Gr/MoSe2VdWs异质结，并研制了顶栅结构的FET，测量结果显示：器件表现为NMOS特性，开关比高达105，电子迁移率约为410cm2V-1s-1，有望为二维材料的电子学应用发展出一条可行的技术方案。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2.1 TMDs的晶体结构

1.2.2 TMDs的物理特性

1.3 TMDs的应用

1.3.1 TMDs的电子应用

1.3.2 TMDs的光电应用

1.3.3 TMDs的异质结器件

1.4 二维TMDs薄膜的研究进展

1.4.1 MX2的Top-down制备

1.4.2 MX2的Bottom-up制备

1.5 本论文选题背景和研究内容

第二章 晶圆级MoSe2薄膜的制备和特性研究方法

2.1.1 原子层沉积生长装置

2.1.2 硒化反应装置

2.1.3 分子束外延设备系统

2.2 MoSe2薄膜的表征方法

2.2.1 MoSe2薄膜的转移工艺

2.2.2 MoSe2薄膜的形貌表征

2.2.3 MoSe2薄膜的成分和结构表征

2.3.1 光电导器件制备方法

2.3.2 晶体管的制备方法

2.3.3 异质结器件的制备方法

2.4 MoSe2器件性能测试方法

2.5 本章小结

第三章 晶圆级MoSe2薄膜的两步法制备及性能研究

3.1 MoO3的厚度可控制备

3.1.1 MoO3薄膜的ALD生长参数探究

3.1.2 MoO3薄膜的晶化探究

3.1.3 非晶MoO3薄膜的性质研究

3.2.1 MoO3薄膜的Se化参数探究

3.2.2 MoSe2薄膜的厚度可控制备

3.2.3 MoSe2薄膜的组分和结构表征

3.2.4 Se化温度对MoSe2薄膜结晶质量的影响

3.3 两步法制备的MoSe2薄膜的性能研究

3.3.1 MoSe2的光电特性

3.3.2 MoSe2的场效应特性

3.4 本章小结

第四章 晶圆级MoSe2薄膜的一步法制备及性能研究

4.1 晶圆级二维MoSe2薄膜的可控制备及薄膜表征

4.1.1 晶圆级MoSe2薄膜的制备

4.1.2 MoSe2薄膜的物性表征

4.1.3 MoSe2薄膜的形貌表征

4.1.4 MoSe2薄膜的均匀性表征

4.2 不同基底上制备MoSe2薄膜

4.2.1 以SiO2/Si为基底制备MoSe2二维薄膜

4.2.2 以Gr/SiO2/Si为基底制备MoSe2二维薄膜

4.2.3 以Si和Gr/Si为基底制备晶圆级MoSe2二维薄膜

4.3 一步法制备的MoSe2薄膜的光电响应特性

4.4 一步法制备的MoSe2薄膜的场效应特性

4.5 本章小结

第五章 基于MoSe2薄膜异质结器件的制备及其性能研究

5.1 Gr/MoSe2 异质结场效应晶体管的制备及性能研究

5.1.1 Gr/MoSe2异质结顶栅结构场效应晶体管的制备

5.1.2 Gr/MoSe2异质结顶栅场效应晶体管的性能研究

5.2 MoSe2/Si异质结光电器件性能研究

5.2.1 MoSe2/Si异质结光电器件的制备

5.2.2 MoSe2/Si异质结光电器件性能研究

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果