CN104617135B - 二维材料元件和半导体器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供二维材料元件和半导体器件。根据示例实施方式，二维(2D)材料元件可以包括彼此化学地接合的第一2D材料和第二2D材料。第一2D材料可以包括第一金属硫属元素化物基材料。第二2D材料可以包括第二金属硫属元素化物基材料。第二2D材料可以接合至第一2D材料的侧面。2D材料元件可以具有PN结结构。2D材料元件可以包括具有不同带隙的多种2D材料。

Description

二维材料元件和半导体器件
本申请要求2013年11月5日在韩国知识产权局提交的第10-2013-133830号韩国专利申请的优先权，其公开通过引用被全文合并于此。
技术领域
本公开涉及二维材料、形成二维材料的方法和/或包括二维材料的器件。
背景技术
二维(2D)材料是其中原子形成晶体结构的单层或半层固体材料。2D材料的最著名的示例是石墨烯。石墨烯可以是单层(例如单原子层)结构,其中碳原子形成六角形结构。石墨烯可以具有关于狄拉克点对称的能带结构，并且在狄拉克点处电荷的有效质量非常小。因此，石墨烯可以具有是硅(Si)的至少10倍或更多倍(甚至可以是1000倍或更多倍)的电荷迁移率。此外，石墨烯可以具有非常高的费米速度(VF)。因此，石墨烯作为下一代材料已经引起了关注。
除了对石墨烯的研究，也正在研究和开发具有绝缘性能或半导体性能的各种2D材料。对2D材料的研究通常包括呈薄片状态(形状)的2D材料的基本材料性能的确定和用于大规模生长的生长2D材料的方法的开发。近来，对2D材料的研究已经扩展到不同2D材料的层叠。然而，为了将2D材料实际应用于器件，需要解决各种问题，诸如2D材料之间或2D材料与另一材料之间的界面问题和2D材料的转移问题。
发明内容
示例实施方式涉及具有优异的电/物理性能的二维(2D)材料元件。
示例实施方式涉及2D材料元件，其中不同的2D材料彼此化学地接合。
示例实施方式涉及能够解决界面问题的2D材料元件。
示例实施方式涉及具有PN结结构的2D材料元件。
示例实施方式涉及用于容易的带隙控制的2D材料元件。
示例实施方式涉及包括具有不同带隙的区域的2D材料元件。
示例实施方式涉及用于形成2D材料的方法。
示例实施方式涉及2D材料被应用于其的器件(半导体器件)。
附加的方面部分地将在随后的说明中被阐述，部分地将从该说明而显见，或者可以通过对示例实施方式的实践而被知晓。
根据示例实施方式，一种二维(2D)材料元件包括：包括第一金属硫属元素化物基材料的第一2D材料；以及接合至第一2D材料的侧面的第二2D材料。第二2D材料包括第二金属硫属元素化物基材料。第一2D材料和第二2D材料彼此化学地接合。
在示例实施方式中，第一2D材料和第二2D材料可以彼此共价地接合。
在示例实施方式，第一2D材料和第二2D材料可以彼此原子间地接合，第一2D材料和第二2D材料可以在第一2D材料和第二2D材料之间的接合部分具有连续的晶体结构。
在示例实施方式中，第一金属硫属元素化物基材料可以是第一过渡金属二硫属元素化物(TMDC)材料，第二金属硫属元素化物基材料可以是第二过渡金属二硫属元素化物(TMDC)材料，第一和第二金属二硫属元素化物(TMDC)材料可以彼此不同。
在示例实施方式中，第一金属硫属元素化物基材料和第二金属硫属元素化物基材料中的至少一个可以包括：包括Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb之一的金属原子，以及包括S、Se和Te之一的硫属元素原子。
在示例实施方式中，第一2D材料和第二2D材料可以是半导体。
在示例实施方式中，第一2D材料可以是n型半导体，第二2D材料可以是p型半导体。在此情形下，第一金属硫属元素化物基材料可以包括第一金属原子，第二金属硫属元素化物基材料可以包括第二金属原子，第一和第二金属原子可以彼此不同。第一金属硫属元素化物基材料可以包括第一硫属元素原子，第二金属硫属元素化物基材料可以包括第二硫属元素原子，第一和第二硫属元素原子可以相同。
在示例实施方式中，第一金属硫属元素化物基材料可以是MoS2、MoSe2、MoTe2、WSe2和WTe2之一。
在示例实施方式中，第二金属硫属元素化物基材料可以是WS2、ZrS2、ZrSe2、HfS2、HfSe2和NbSe2之一。
在示例实施方式中，第一金属硫属元素化物基材料可以包括MoS2，第二金属硫属元素化物基材料可以包括WS2。
在示例实施方式中，第一2D材料的带隙可以不同于第二2D材料的带隙。在此情形下，第一金属硫属元素化物基材料可以包括第一硫属元素原子，第二金属硫属元素化物基材料可以包括第二硫属元素原子，第一和第二硫属元素原子可以彼此不同。第一金属硫属元素化物基材料可以包括第一金属原子，第二金属硫属元素化物基材料可以包括第二金属原子，第一和第二金属原子可以相同。
在示例实施方式中，第一金属硫属元素化物基材料可以包括MoS2、MoSe2和MoTe2之一，第二金属硫属元素化物基材料可以包括MoS2、MoSe2和MoTe2中的另一个。
在示例实施方式中，第一金属硫属元素化物基材料可以包括WS2、WSe2和WTe2之一，第二金属硫属元素化物基材料可以包括WS2、WSe2和WTe2中的另一个。
在示例实施方式中，第一和第二2D材料之一可以布置在第一和第二2D材料中的另一个的两相反侧。
在示例实施方式中，第一2D材料可以是多个第一2D材料之一，第二2D材料可以是多个第二2D材料之一，所述多个第一和第二2D材料可以定义图案结构。
在示例实施方式中，2D材料元件可以还包括第三2D材料，第三2D材料接合至第一2D材料和第二2D材料之一的侧面。
在示例实施方式中，一种半导体器件可以包括多层结构，多层结构包括半导体层和至少一个非半导体层。半导体层可以包括上述2D材料元件之一。至少一个非半导体层可以在半导体层的至少一个表面上或者在半导体层的至少一个表面下。
在示例实施方式中，多层结构可以包括第一导电层和第二导电层。半导体层可以在第一导电层上。第二导电层可以在半导体层上。在此情形下，多层结构进一步可以包括第三导电层和绝缘层。第三导电层可以在第二导电层上，绝缘层可以在第二导电层和第三导电层之间。
在示例实施方式中，多层结构可以包括第一绝缘层、第二绝缘层、第一导电层和第二导电层。半导体层可以在第一绝缘层上。第二绝缘层可以在半导体层上。第一绝缘层可以在第一导电层上。第一导电层可以面对半导体层。第二导电层可以在第二绝缘层上。第二导电层可以面对半导体层。
在示例实施方式中，多层结构可以包括第一导电层、第二导电层和绝缘层。第二导电层可以在第一导电层上。绝缘层可以在第一导电层和第二导电层之间。
在示例实施方式中，多层结构可以包括：与半导体层间隔开的第一导电层；在半导体层和第一导电层之间的绝缘层；以及分别接触半导体层的第一和第二区域的第二导电层和第三导电层。
在示例实施方式中，多层结构可以包括绝缘层和第一导电层。半导体层可以在绝缘层上。第一导电层可以在半导体层上。在此情形下，多层结构可以包括面对半导体层的第二半导体层。绝缘层可以在半导体层与第二半导体层之间。多层结构可以还包括分别接触第二半导体层的第一和第二区域的第二导电层和第三导电层。
在示例实施方式中，至少一个非半导体层可以包括导电2D材料和绝缘2D材料中的至少一个。
在示例实施方式中，半导体层可以包括PN结结构、PNP结结构和NPN结结构中的至少一种。
在示例实施方式中，半导体层可以包括具有不同的能带隙的多种2D材料。
在示例实施方式中，半导体器件可以是隧道器件，半导体层可以是隧道层。
在示例实施方式中，半导体器件可以是双极结型晶体管(BJT)，半导体层可以是隧道层。
在示例实施方式中，半导体器件可以是势垒晶体管，半导体层可以是沟道层。
在示例实施方式中，半导体器件可以是场效应晶体管(FET)，半导体层可以是沟道层。
在示例实施方式中，半导体器件可以是存储器件，半导体层可以是电荷俘获层。
在示例实施方式中，半导体器件可以是二极管。
在示例实施方式中，半导体器件可以是太阳能电池。
在示例实施方式中，半导体器件可以是光检测器。
根据示例实施方式，一种形成2D材料元件的方法包括：制备包括第一金属硫属元素化物基材料的前体和第二金属硫属元素化物基材料的前体的前体溶液；通过涂覆前体溶液到衬底上来形成薄膜；以及由薄膜形成2D材料元件，2D材料元件包括：包括第一金属硫属元素化物基材料的第一2D材料和包括第二金属硫属元素化物基材料的第二2D材料，其中第二2D材料化学地接合至第一2D材料的侧面。
由薄膜形成2D材料元件可以包括退火该薄膜。
退火可以在从约300℃至约2000℃的温度下进行。
由薄膜形成2D材料元件可以进一步包括：将硫属元素基材料注入到放置有该薄膜的腔室内。
根据示例实施方式，一种形成2D材料元件的方法包括：形成包括第一金属氧化物和第二金属氧化物的薄膜；以及通过分别由第一金属氧化物和第二金属氧化物形成第一金属硫属元素化物基材料和第二金属硫属元素化物基材料，形成2D材料元件，2D材料元件包括：包括第一金属硫属元素化物基材料的第一2D材料和包括第二金属硫属元素化物基材料的第二2D材料，其中第二2D材料化学地接合至第一2D材料的侧面。
由薄膜形成2D材料元件可以包括：将硫属元素基材料注入到放置有该薄膜的腔室内；以及退火该薄膜。
退火可以在从约300℃至约2000℃的温度下执行。
根据示例实施方式，一种形成2D材料元件的方法包括：形成包括金属氧化物的薄膜；以及通过分别由薄膜的第一区域和第二区域形成第一金属硫属元素化物基材料和第二金属硫属元素化物基材料，形成2D材料元件，2D材料元件包括：包括第一金属硫属元素化物基材料的第一2D材料和包括第二金属硫属元素化物基材料的第二2D材料，其中第二2D材料化学地接合至第一2D材料的侧面。
由薄膜形成2D材料元件可以包括：使薄膜的第一区域与第一硫属元素基材料反应；以及使薄膜的第二区域与第二硫属元素基材料反应。
由薄膜形成2D材料元件可以包括：在薄膜上形成掩模层，掩模层具有用于暴露第一区域的开口；以及将被掩模层暴露的第一区域转变成第一2D材料。
由薄膜形成2D材料元件可以包括：通过去除掩模层来暴露第二区域；以及将薄膜的第二区域转变成第二2D材料。
根据示例实施方式，一种二维(2D)材料元件包括化学地接合至第二2D材料的第一2D材料。第一2D材料包括第一金属硫属元素化物的第一层。第二2D材料包括第二金属硫属元素化物的第二层。第一和第二金属硫属元素化物具有不同的金属原子和不同的硫属元素原子之一。
在示例实施方式中，第一金属硫属元素化物可以包括第一金属，第二金属硫属元素化物可以包括第二金属，第一和第二金属中的至少一个可以是过渡金属。
在示例实施方式中，第一金属硫属元素化物和第二金属硫属元素化物每个可以独立地包括：包括Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb之一的金属原子；以及包括S、Se和Te之一的硫属元素原子。
在示例实施方式中，2D材料元件可以还包括第三2D材料，第三2D材料包括第三金属硫属元素化物的第三层。第一和第三2D材料可以分别化学地接合至第二2D材料的两侧。第三2D材料可以具有与第一和第二2D材料的带隙不同的带隙。第三2D材料可以具有与第一和第二2D材料之一的导电类型不同的导电类型。
在示例实施方式中，一种半导体器件可以包括半导体层，半导体层包括上述2D材料元件之一。
附图说明
通过以下对如附图所示的非限制性实施方式的说明，这些和/或其它方面将变得明显和更容易理解，附图中在不同的视图中相同的附图标记始终表示相同的部件。附图不必按比例绘制，相反重点在于示出发明构思的原理。附图中：
图1是示出根据示例实施方式的二维(2D)材料元件的示图；
图2是示出根据示例实施方式的2D材料元件的示图；
图3是示出根据示例实施方式的2D材料元件的示图；
图4是示出根据示例实施方式的2D材料元件的示图；
图5和6是根据示例实施方式的2D材料元件的横截面示图；
图7至10是根据示例实施方式的2D材料元件的透视图；
图11A至11C是示出根据示例实施方式的形成2D材料元件的方法的透视图；
图12A和12B是示出根据示例实施方式的形成2D材料元件的方法的透视图；
图13A至13E是示出根据示例实施方式的形成2D材料元件的方法的透视图；
图14至22是示出包括根据示例实施方式的2D材料元件的半导体器件的截面图；
图23是根据示例实施方式的2D材料元件的透视图；以及
图24是根据示例实施方式的2D材料元件的截面图。
具体实施方式
现在将参照示出了一些示例实施方式的附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式可以以诸多不同的形式实施，且不应当被解释为限于本文中阐述的实施方式；更确切地，这些示例实施方式被提供，从而本公开将透彻且完整，且将全面地将示例实施方式的范围传达给本领域普通技术人员。附图中，为了清楚起见，层和区域的厚度被夸大。图示中相同的附图标记表示相同的元件，于是其描述可以被省略。
将理解，当一元件被称为“连接”或“联接”到另一元件时，它能直接连接到或联接到该另一元件，或者可以存在居间元件。相反，当一元件被称为“直接连接”或“直接联接”到另一元件时，则没有居间元件存在。当在这里使用时，术语“和/或”包括相关所列项目中的一个或更多个项目的任何及所有组合。用于描述元件或层之间的关系的其它文字应当以相同的方式解释(例如，“在……之间”与“直接在……之间”相对，“相邻”与“直接相邻”相对，“在……之上”与“直接在……之上”相对)。诸如“……中的至少一个”的表述在放置于元素列表之后时，修饰元素的整个列表，不修饰该列表中的个体元素。
将理解，虽然这里可以使用术语“第一”、“第二”等来描述各元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一元件、部件、区域、层或部分与另一元件、部件、区域、层或部分区别开。因此，以下讨论的第一元件、第一部件、第一区域、第一层或第一部分可以被称为第二元件、第二部件、第二区域、第二层或第二部分，而不背离示例实施方式的教导。
为了便于描述，这里可以使用空间关系术语诸如“在……下方”、“在……下面”、“下部的”、“在……上方”、“上部的”等来描述如图所示的一元件或特征的与另一(另一些)元件或特征的关系。将理解，空间关系术语旨在涵盖除图中所示的取向之外，器件在使用或运行中的不同取向。例如，如果图中的器件被翻转，则被描述为“在”其他元件或特征“下面”或“下方”的元件将会取向“在”所述其他元件或特征的“上方”。因此，示例性术语“在……下面”能够涵盖上方和下面两种取向。器件也可以有其它取向(旋转90度或处于其它取向)，且这里所使用的空间关系描述词作相应地解释。
这里所使用的术语只是为了描述特定的实施方式，而非旨在限制示例实施方式。当在这里使用时，单数形式“一”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文清楚地指示另外的意思。还将理解，当被用在此说明书中时，术语“包括”和/或“包含”指定了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但并不排除一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、构件和/或其组合的存在或增加。
这里参照截面图描述了示例实施方式，这些截面图是示例实施方式的理想化实施方式(和中间结构)的示意图。这样，作为例如制造技术和/或公差的结果的相对于图示形状的变化将被预见到。因此，示例实施方式不应被解释为限于这里所示的区域的特定形状，而将包括例如由制造导致的形状上的偏差。例如，被示作矩形的注入区通常会在其边缘处具有圆的或弯曲的特征和/或注入浓度的梯度，而不是从注入区到非注入区的二元变化。类似地，通过注入形成的埋入区可以导致在埋入区与通过其发生注入的表面之间的区域中的一些注入。因此，图中示出的区域在本质上是示意性的，它们的形状不是要示出器件的区域的真实形状，并且不是要限制示例实施方式的范围。
除非另行定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)都具有示例实施方式所属领域内的普通技术人员通常所理解的同样的含义。将进一步理解的是，术语，诸如通用词典中所定义的术语，应当被解释为具有与它们在相关领域的语境中的含义相一致的含义，而不应在理想化或过于形式化的意义上被解释，除非本文明确地如此定义。
图1是示出根据示例实施方式的二维(2D)材料元件100的图示。
参照图1，2D材料元件100可以包括第一2D材料M10和第二2D材料M20。第一2D材料M10和第二2D材料M20可以是不同的材料。第一2D材料M10可以包括第一金属硫属元素化物基材料。第二2D材料M20可以包括第二金属硫属元素化物基材料。第一和第二金属硫属元素化物基材料可以是不同的过渡金属二硫属元素化物(TMDC)材料。第二2D材料M20可以附着(接合)至第一2D材料M10的侧面(侧表面)。因此，第一2D材料M10和第二2D材料M20可以横向排列。第一2D材料M10可以被化学地接合至第二2D材料M20。换句话说，第二2D材料M20可以被化学地接合至第一2D材料M10的侧面。化学接合可以是“共价接合”。因此，第一2D材料M10可以与第二2D材料M20共价地接合。第一2D材料M10和第二2D材料M20可以具有原子间接合结构，其在第一2D材料M10和第二2D材料M20之间的接合部分具有连续的晶体结构。
术语“化学键”指施加在一组原子中的原子之间或原子团之间而使得该组原子可以被当作单个单元体的力(吸引力)。换句话说，术语“化学键”指原子之间的键，其通过连接所述原子而形成分子或晶体。或者，术语“化学键”指用于形成包括两个或更多个原子的化学物质的原子的接合。这样的化学键基本上由原子之间的静电力导致，其中接合力可以根据接合结构而变化。第一2D材料M10和第二2D材料M20可以彼此化学地接合，其中化学键可以包括共价键。共价键是由构成键的两个原子共享的电子对导致的吸引力，并且表现出相对强的接合力。第一2D材料M10的原子和第二2D材料M20的原子可以彼此化学地接合，因而可以在第一2D材料M10和第二2D材料M20之间的接合部分形成连续的晶体结构。换句话说，2D材料元件100可以在其包括第一2D材料M10和第二2D材料M20之间的接合部分的整个区域中具有连续的晶体结构。
与术语“化学键”相对的术语是“物理接触”。术语“物理接触”指两个不同的材料层彼此物理地接触同时维持其自身的特性，其中在这两个材料层之间没有原子间的键(化学键)，并且其间的界面可以具有不连续的结构。物理接触可以是因范德瓦耳斯力导致的表面之间的接触。因此，在物理接触的情况下，可以在界面处形成电势垒，因而电荷(例如电子)不会顺利地流动。然而，根据示例实施方式，第一2D材料M10和第二2D材料M20彼此化学地接合，因而可以在第一2D材料M10和第二2D材料M20之间的接合部分形成连续/平滑的晶体结构。因此，没有第一2D材料M10和第二2D材料M20之间的界面问题，电荷(例如电子)可以顺利地流动/移动。例如，电荷(例如电子)可以顺利地流过接合部分(界面)，而没有归因于势垒而发生的隧穿。因此，在示例实施方式中，2D材料元件100可以包括多种不同的2D材料，并且表现出优异的物理/电性能，而没有任何界面问题。
在图1中，第一2D材料M10可以是第一金属硫属元素化物基材料，第二2D材料M20可以是第二金属硫属元素化物基材料。第一和第二金属硫属元素化物基材料可以是TMDC材料。第一和第二金属硫属元素化物基材料中的至少一个可以包括选自Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc和Re构成的组的过渡金属和选自S、Se和Te构成的组的硫属原子。TMDC材料可以表示为例如MX2，其中M表示过渡金属，X表示硫属原子。M可以是Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc或Re，而X可以是S、Se或Te。TMDC材料例如可以是MoS2、MoSe2、MoTe2、WS2、WSe2、WTe2、ZrS2、ZrSe2、HfS2、HfSe2、NbSe2或ReSe2，但是示例实施方式不局限于此。第一和第二金属硫属元素化物基材料可以不表示为MX2。例如，Cu(过渡金属)和S(硫属原子)的化合物可以表示为CuS，其是过渡金属硫属元素化物材料。因为CuS可以是2D材料，所以CuS可以用作第一或第二金属硫属元素化物基材料。根据示例实施方式，第一和第二金属硫属元素化物基材料可以是包括非过渡金属的硫属元素化物基材料。所述非过渡金属例如可以是Ga、In、Sn、Ge或Pb。换句话说，包括诸如Ga、In、Sn、Ge、Pb等的非过渡金属和诸如S、Se和Te的硫属原子的化合物可以被用作第一和第二金属硫属元素化物基材料。包括非过渡金属的硫属元素化物基材料例如可以是SnSe2、GaS、GaSe、GaTe、GeSe、In2Se3、InSnS2等等。因此，第一和第二金属硫属元素化物基材料中的至少一个可以包括选自Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb构成的组的金属原子和选自S、Se和Te构成的组的硫属原子。然而，上述的材料(原子)仅是示例，任何的各种其它材料(原子)可被应用。
第一2D材料M10和第二2D材料M20可以是“半导体”。因此，第一2D材料M10可以称为第一2D半导体，第二2D材料M20可以称为第二2D半导体，2D材料元件100可以称为半导体元件。在此情况下，第一和第二2D材料M10和M20中的一个可以是p型半导体，而另一个可以是n型半导体。或者，第一和第二2D材料M10和M20可以具有不同的能带隙。
此外，第一和第二2D材料M10和M20中的至少一个可以掺以p型掺杂剂或n型掺杂剂。作为p型或n型掺杂剂，可以使用用于2D材料的常规p型或n型掺杂剂。例如，在示例实施方式中，用于石墨烯或碳纳米管(CNT)的p型掺杂剂或n型掺杂剂可以被用于2D材料元件100。p型掺杂剂或n型掺杂剂可以借助离子注入或化学掺杂而被掺杂。
例如，p型掺杂剂的源可以是诸如NO2BF4、NOBF4或NO2SbF6的离子液体，诸如HCl、H2PO4、CH3COOH、H2SO4或HNO3的酸化合物，或诸如二氯二氰基苯醌(DDQ)、过硫酸氢钾制剂(oxone)、二肉豆蔻酰磷脂酰肌醇(DMPI)或三氟甲基磺酰亚胺的有机化合物。或者，p型掺杂剂的源可以是HPtCl4、AuCl3、HAuCl4、三氟甲磺酸银(AgOTf)、AgNO3、H2PdCl6、Pd(OAc)2、Cu(CN)2等。n型掺杂剂的源可以是：取代的或未被取代的烟酰胺的还原产物；与取代的或未被取代的烟酰胺化学地接合的化合物的还原产物；或者包括至少两个吡啶部分(pyridiniummoiety)的化合物，其中所述吡啶部分中的至少一个的氮原子被还原。例如，n型掺杂剂的源可以包括烟酰胺单核苷酸-H(NMNH)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸-H(NADH)或者烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸-H(NADPH)，或者可以包括紫罗碱。或者，n型掺杂剂的源可以包括聚合物，诸如聚乙烯亚胺(PEI)。或者，n型掺杂剂可以包括碱金属，诸如K和Li。然而，上述的p型掺杂剂和n型掺杂剂的源(材料)仅是示例，任何各种其它材料可以被使用。
图2是示出根据示例实施方式的2D材料元件100A的图示。图2涉及2D材料元件100A具有pn结结构的情形。
参照图2，2D材料元件100A可以包括第一2D材料M11和第二2D材料M21。第一2D材料M11和第二2D材料M21可以分别相应于图1的第一2D材料M10和第二2D材料M20。第一2D材料M11可以是n型半导体，第二2D材料M21可以是p型半导体。在此情形下，第一2D材料M11的第一金属硫属元素化物基材料和第二2D材料M21的第二金属硫属元素化物基材料可以包括彼此不同的金属原子。此外，第一2D材料M11的第一金属硫属元素化物基材料和第二2D材料M20的第二金属硫属元素化物基材料可以包括同样的硫属原子。然而，在某些情形下，第一2D材料M11和第二2D材料M21可以包括同样的金属原子，也可以包括不同的硫属原子。
第一2D材料M11可以包括第一金属原子M1和第一硫属原子X1，而第二2D材料M21可以包括第二金属原子M2和第二硫属原子X2。这里，第一和第二金属原子M1和M2可以是过渡金属原子或者非过渡金属原子。第一金属原子M1可以不同于第二金属原子M2，而第一硫属原子X1可以相同于第二硫属原子X2。当金属硫属元素化物基材料中包括的金属被改变时，其导电类型(p或者n)可以被改变。因此，如果第一2D材料M11是n型材料并且第二2D材料M21是p型材料，则第一2D材料M11和第二2D材料M21中包括的金属原子可以不同。然而，在某些金属原子的情形下，导电类型(p或者n)可以随着接合至这样的金属原子的硫属原子改变而改变。因此，在某些情形下，第一金属原子M1可以相同于第二金属原子M2，并且第一硫属原子X1可以不同于第二硫属原子X2。
第一2D材料M11可以包括MoS2、MoSe2、MoTe2、WSe2和WTe2中的至少一个，MoS2、MoSe2、MoTe2、WSe2和WTe2是具有n型半导体特性的金属硫属元素化物基材料。第二2D材料M21可以包括WS2、ZrS2、ZrSe2、HfS2、HfSe2和NbSe2中的至少一个，WS2、ZrS2、ZrSe2、HfS2、HfSe2和NbSe2是具有p型半导体特性的金属硫属元素化物基材料。例如，第一2D材料M11可以包括具有n型半导体特性的MoS2，而第二2D材料M21可以包括具有p型半导体特性的WS2。Mo和W是同一族中的金属，相比于金属(Mo)和S之间的间隔()，其原子大小之间的差异(共价半径之间的差异：)显著地小。因此，即使中心的金属原子被改变，晶格失配也可以罕有发生。因此，当MoS2和WS2彼此化学地接合时，在其间的接合部分处可以几乎没有或者没有晶格失配。这里，Mo和W具有相同的原子半径139皮米(pm)，Mo的共价半径为154±5pm，W的共价半径为162±7pm。
以下的表1示出具有n型半导体性质的金属硫属元素化物基材料和具有p型半导体性质的金属硫属元素化物基材料的示例。
[表1]
种类 金属硫属元素化物基材料的示例
n型半导体 MoS<sub>2</sub>、MoSe<sub>2</sub>、MoTe<sub>2</sub>、WSe<sub>2</sub>、WTe<sub>2</sub>
p型半导体 WS<sub>2</sub>、ZrS<sub>2</sub>、ZrSe<sub>2</sub>、HfS<sub>2</sub>、HfSe<sub>2</sub>、NbSe<sub>2</sub>
第一和第二2D材料M11和M21中的至少一个可以掺以p型掺杂剂或n型掺杂剂。如果第一2D材料M11为n型半导体，则第一2D材料M11可以掺以n型掺杂剂，必要时，可以掺以p型掺杂剂。类似地，如果第二2D材料M21为p型半导体，则第二2D材料M21可以掺以p型掺杂剂或者可以掺以n型掺杂剂。例如，如果第二2D材料M21为WS2(p型)，则第二2D材料M21可以掺以作为p型掺杂剂的AuCl3，或者掺以作为n型掺杂剂的K。换句话说，2D材料可以掺以相同半导体类型掺杂剂或者相反半导体类型掺杂剂。通过掺以相反半导体类型掺杂剂，2D材料的半导体类型可以被改变。
图3是示出根据示例实施方式的2D材料元件100B的图示。图3涉及2D材料元件100B包括多个具有不同的能带隙的2D材料M12和M22的情形。
参照图3，2D材料元件100B可以包括第一2D材料M12和第二2D材料M22。第一2D材料M12和第二2D材料M22可以分别相应于图1的第一2D材料M10和第二2D材料M20。第一2D材料M12和第二2D材料M22可以具有不同的能带隙(以下称为“带隙”)。换句话说，第一2D材料M12可以具有第一带隙，而第二2D材料M22可以具有不同于第一带隙的第二带隙。在此情形下，第一2D材料M12的第一金属硫属元素化物基材料和第二2D材料M22的第二金属硫属元素化物基材料可以包括彼此不同的硫属原子。此外，第一2D材料M12的第一金属硫属元素化物基材料和第二2D材料M22的第二金属硫属元素化物基材料可以包括相同的金属原子。然而，在某些情形下，第一2D材料M12和第二2D材料M22可以包括不同的金属原子。
第一2D材料M12可以包括第一金属原子M1'和第一硫属原子X1'，第二2D材料M22可以包括第二金属原子M2'和第二硫属原子X2'。这里，第一硫属原子X1'可以不同于第二硫属原子X2'。第一金属原子M1'可以相同于或者不同于第二金属原子M2'。如果金属硫属元素化物基材料的硫属原子被改变，则金属硫属元素化物基材料的带隙可以被改变。因此，通过化学地接合包括彼此不同的硫属原子的第一2D材料M12和第二2D材料M22，包括具有不同的带隙的多个区域的2D材料元件100B可以被实现。
例如，第一2D材料M12可以包括来自MoS2、MoSe2和MoTe2当中的一个，而第二2D材料M22可以包括来自MoS2、MoSe2和MoTe2当中的另一个。或者，第一2D材料M12可以包括来自WS2、WSe2和WTe2当中的一个，而第二2D材料M22可以包括来自WS2、WSe2和WTe2当中的另一个。MoS2、MoSe2、MoTe2、WS2、WSe2和WTe2的带隙和半导体类型(导电类型)被示于以下的表2中。
[表2]
材料 带隙(eV) 半导体类型
MoS<sub>2</sub> 1.88 n型
MoSe<sub>2</sub> 1.57 n型
MoTe<sub>2</sub> 1.17 n型
WS<sub>2</sub> 1.90 p型
WSe<sub>2</sub> 1.66 n型
WTe<sub>2</sub> 1.20 n型
同时，ReSe2的带隙可以是1.30eV，SnSe2的带隙可以是1.40eV，GaS的带隙可以是2.40eV，GaSe的带隙可以是2.30eV，GaTe的带隙可以是2.00eV，GeSe的带隙可以是1.60eV，In2Se3的带隙可以是1.41eV。体CuS的带隙可以是1.60eV，体InSnS2的带隙可以是1.45eV。ReSe2、SnSe2、GaS、GaSe、GaTe、GeSe、In2Se3、CuS和InSnS2之一可以被用作第一2D材料M12或者第二2D材料M22。
在示例实施方式中，如果在相同的平面结构中金属硫属元素化物基材料的成分被改变，则可以实现包括多个具有不同的带隙的区域(即第一和第二2D材料M12和M22)的2D材料元件100B。在此情形下，因为第一2D材料M12和第二2D材料M22彼此被化学地接合，所以在其间的界面处可以几乎没有或者没有电势垒。即使在第一2D材料M12和第二2D材料M22之间的界面处有电势垒，因为该电势垒的厚度如一个原子那样薄，所以该电势垒实际上可以不起势垒的作用。因此，2D材料元件100B可以表现出优异的性能，而没有任何界面问题。相反地，如果两个不同的材料(半导体)彼此物理地接触，则在其间的界面处发生能带弯曲，并且在那里形成具有一有效厚度的电势垒。结果，电荷(例如电子)不能顺利地流动。
另外，通过对图3的第一2D材料M12和第二2D材料M22中的至少一个掺以p型掺杂剂或者n型掺杂剂，第一2D材料M12和第二2D材料M22的性质可以被额外地控制。所述p型掺杂剂和n型掺杂剂的类型可以相同于以上参考图1描述的那些。
虽然图1至3示出了具有单层结构(2D平面结构)的2D材料元件100、100A和100B，但是可以实现其中该单层结构(2D平面结构)被重复地层叠的结构。图4中示出其一示例。
参照图4，2D材料元件1000可以具有一结构，在该结构中，具有图1的单层结构(2D平面结构)的2D材料元件100(以下称为“单元材料层100”)被反复地层叠。例如，可以层叠几层(多达10层)的单元材料层100。或者，可以层叠直至约100层的单元材料层100。单元材料层100的第一2D材料M10可以相同于图2的第一2D材料M11或者图3的第一2D材料M12。此外，单元材料层100的第二2D材料M20可以相同于图2的第二2D材料M21或者图3的第二2D材料M22。
即使单元材料层100被反复地层叠，2D材料的性能也可以保持。就电结构而言，2D材料可以被定义为一种材料，该材料的态密度(DOS)取决于量子阱行为。因为在其中层叠多个单元材料层100(至约100层)的2D材料元件1000中，DOS可以取决于量子阱行为，因而图4的2D材料元件1000可以被称为“2D材料”。
此外，虽然图4示出第一2D材料M10被层叠在第一2D材料M10上并且第二2D材料M20被层叠在第二2D材料M20上的结构，但是根据示例实施方式，第二2D材料M20可以被层叠在第一2D材料M10上，并且第一2D材料M10可以被层叠在第二2D材料M20上。换句话说，也可以实现一种随机层叠结构，其中第一2D材料M10和第二2D材料M20被随机地层叠。
此外，虽然图1至4示出“硫属原子”存在于第一2D材料M10、M11和M12与第二2D材料M20、M21和M22之间的边界处的情形，但是代替“硫属原子”，“金属原子”可以存在于该边界处。换句话说，第一2D材料M10、M11和M12与第二2D材料M20、M21和M22之间可以被在其间的预定的或者给定的“金属原子”隔开。
图5是根据示例实施方式的2D材料元件110A的剖视图。
参照图5，2D材料元件110A可以包括第一至第三2D材料M13、M23和M33。第一和第三2D材料M13和M33可以被化学地接合至第二2D材料M23的两侧(相反侧)。第一至第三2D材料M13、M23和M33中的至少两个可以具有不同的半导体类型(导电类型)。第一2D材料M13可以相应于图2的第一2D材料M11，第二2D材料M23可以相应于图2的第二2D材料M21，或者反之亦然。第三2D材料M33可以具有与第一2D材料M13相同的材料和性质。因此，2D材料元件110A可以具有PNP结构或者NPN结构。换句话说，第一和第三2D材料M13和M33可以是p型半导体，第二2D材料M23可以是n型半导体，或者反之亦然。虽然图5中未示出，但是至少一个其他的2D材料可以被进一步布置在第一2D材料M13或者第三2D材料M33的侧面。
图6是根据示例实施方式的2D材料元件110B的剖视图。
参照图6，2D材料元件110B可以包括第一至第三2D材料M14、M24和M34。第一和第三2D材料M14和M34可以被化学地接合至第二2D材料M24的两侧(相反侧)。第一至第三2D材料M14、M24和M34中的至少两个可以具有不同的带隙。第一至第三2D材料M14、M24和M34可以具有不同的带隙(第一至第三带隙)。来自第一至第三2D材料M14、M24和M34当中的一个可以相应于图3的第一2D材料M12，来自第一至第三2D材料M14、M24和M34当中的另一个可以相应于图3的第二2D材料M22。第三2D材料M34可以是不同于第一和第二2D材料M14和M24的材料。例如，2D材料元件110B可以具有或者MoS2-MoSe2-MoTe2结构，或者WS2-WSe2-WTe2结构。虽然图6中未示出，但是至少一个其他的2D材料可以被进一步布置在第一2D材料M14或者第三2D材料M34的侧面。
图5和6的单元结构(单元材料层)可以如以上参考图4描述那样被反复地层叠。
在根据示例实施方式的2D材料元件中，异质2D材料可以形成各种图案。图7至10中示出其示例。
图7是根据示例实施方式的2D材料元件111A的透视图。参照图7，2D材料元件111A可以设置在衬底SUB10上。2D材料元件111A可以具有一结构，该结构中多个第一2D材料M15和多个第二2D材料M25被二维地排列。第一2D材料M15和第二2D材料M25可以是纳米尺度或者微米尺度的域。例如，第一2D材料M15和第二2D材料M25每个可以具有等于或者大于10nm的宽度。虽然图7示出第一2D材料M15和第二2D材料M25具有矩形的形状并且被规则地排列，但是这仅是一示例，且第一和第二2D材料M15和M25的形状和排列可以改变。对第一和第二2D材料M15和M25的形状没有限制，并且第一和第二2D材料M15和M25可以被不规则地(随机地)排列。例如，如图23所示，2D材料元件111A’可以具有其中多个第一2D材料M15’和多个第二2D材料M25’被随机地和不规则地排列的结构。第一和第二2D材料M15’和M25’可以具有不规则形状。此外，根据示例实施方式，2D材料元件可以在竖直方向上具有随机结构。例如，如图24所示，2D材料元件111A”可以具有其中多个第一2D材料M15”和多个第二2D材料M25”在竖直和/或水平方向上被随机地和不规则地排列的结构。图24的结构可以类似于上文中描述的“随机层叠结构”。
图7的第一和第二2D材料M15和M25可以分别相应于图2的第一和第二2D材料M11和M21。因此，第一2D材料M15可以是n型半导体，第二2D材料M25可以是p型半导体，2D材料元件111A可以具有PN结结构。
图8是根据示例实施方式的2D材料元件112A的透视图。参照图8，2D材料元件112A可以具有一结构，该结构中第一2D材料M16和第二2D材料M26被交替地和反复地排列。第一和第二2D材料M16和M26可以具有线形状。因此，2D材料元件112A可以具有条纹图案。第一和第二2D材料M16和M26可以分别相应于图2的第一和第二2D材料M11和M21。因此，第一2D材料M16可以是n型半导体，第二2D材料M26可以是p型半导体，2D材料元件112A可以具有PN结结构。
图9是根据示例实施方式的2D材料元件112B的透视图。图9的2D材料元件112B可以类似于图8的2D材料元件112A。然而，图9中，第一和第二2D材料M17和M27可以分别相应于图3的第一和第二2D材料M12和M22。因此，2D材料元件112B可以具有一结构，该结构中具有不同的带隙的2D材料M17和M27被交替地和反复地排列。
图10是根据示例实施方式的2D材料元件113B的透视图。图10的2D材料元件113B可以包括第一至第三2D材料M18、M28和M38。第一至第三2D材料M18、M28和M38可以在横向上被反复地排列。第一至第三2D材料M18、M28和M38可以具有不同的带隙。例如，第一至第三2D材料M18、M28和M38可以分别相应于图6的第一至第三2D材料M14、M24和M34。
图7至10中示出的图案仅是示例，图案的形状和尺寸可以改变。
以下，将描述形成根据示例实施方式的2D材料元件的方法。
图11A至11C是示出根据示例实施方式的形成2D材料元件的方法的透视图。
参照图11A，可以制备前体溶液PS1。前体溶液PS1可以包括第一金属硫属元素化物基材料的前体(以下称为“第一前体”)和第二金属硫属元素化物基材料的前体(以下称为“第二前体”)。例如，前体溶液PS1可以通过将第一前体和第二前体与指定溶剂(有机溶剂)混合来制备。第一前体例如可以是具有n型半导体特性的金属硫属元素化物基材料的前体，而第二前体例如可以是具有p型半导体特性的金属硫属元素化物基材料的前体。第一前体可以是来自具有n型半导体特性的MoS2、MoSe2、MoTe2、WSe2和WTe2当中的一个的前体，而第二前体可以是来自具有p型半导体特性的WS2、ZrS2、ZrSe2、HfS2、HfSe2和NbSe2当中的一个的前体。例如，(NH4)2MoS4可以用作MoS2的前体(第一前体)，(NH4)2WS4可以用作WS2的前体(第二前体)。同时，溶剂(有机溶剂)例如可以是二甲基甲酰胺(DMF)。前体溶液PS1可以通过将(NH4)2MoS4和(NH4)2WS4(每个0.125wt％)混合到DMF中来制造。然而，这仅是示例，第一和第二前体的材料、溶剂的种类和混合比可以改变。
参照图11B，前体溶液(图11A的PS1)可以被涂在衬底SUB1上，从而形成薄膜10。衬底SUB1可以是半导体衬底、导电衬底或者绝缘衬底。例如，衬底SUB1可以包括诸如硅的半导体、诸如Cu、Ni、Fe、Co、Pt或者Ru的导体(金属)、或者诸如二氧化硅或蓝宝石的绝缘体。用于形成衬底SUB1的材料不受限制，因而可以使用各种类型的衬底。薄膜10可以通过使用诸如旋涂、浸涂和刮棒涂布的各种涂覆方法中的任何方法形成。薄膜10可以具有纳米水平(纳米尺度)的厚度。可以在薄膜10的形成过程中或者在薄膜10的形成之后，从薄膜10去除如上参考图11A描述的溶剂的大部分。
参照图11C，2D材料层10A可以由薄膜(图11B的10)形成。2D材料层10A可以由第一2D材料1A和第二2D材料2A构成，第一2D材料1A包括由第一前体形成的第一金属硫属元素化物基材料，第二2D材料2A包括由第二前体形成的第二金属硫属元素化物基材料。第一2D材料1A和第二2D材料2A可以彼此化学地接合。第一2D材料1A和第二2D材料2A可以分别相应于图2的第一2D材料M11和第二2D材料M21，或者图7的第一2D材料M15和第二2D材料M25。第一2D材料1A可以是n型半导体，第二2D材料2A可以是p型半导体，或者反之亦然。2D材料层10A可以具有PN结结构。
为了由薄膜10形成其中多个2D材料1A和2A化学地接合的2D材料层10A，可以对薄膜10执行退火(热处理)工艺。可以在约300℃至约2000℃的范围内的温度下执行退火工艺。经由退火工艺，第一金属硫属元素化物基材料可以由第一前体形成，第二金属硫属元素化物基材料可以由第二前体形成。例如，如果第一前体是(NH4)2MoS4，则(NH4)2可以自(NH4)2MoS4去除(蒸发)，并且MoS4可以转变为MoS2。此外，如果第二前体是(NH4)2WS4，则(NH4)2可以从(NH4)2WS4去除(蒸发)，并且WS4可以转变为WS2。在此情形下，第一2D材料1A可以是MoS2，第二2D材料2A可以是WS2。在图11C示出的操作中形成的第一2D材料1A和第二2D材料2A的数量/面积，可以通过控制在图11A的操作中被添加到前体溶液PS1中的第一前体和第二前体的含量来调整。虽然图11C示出第一2D材料1A和第二2D材料2A具有矩形的形状并且被规则地排列，但是这仅是一示例，第一2D材料1A和第二2D材料2A的形状不受限制，且第一2D材料1A和第二2D材料2A可以不规则地(随机地)排列。例如，如图23所示，2D材料元件111A’可以具有其中多个第一2D材料M15’和多个第二2D材料M25’被随机地和不规则地排列的结构。第一和第二2D材料M15’和M25’可以具有不规则形状。此外，根据示例实施方式，2D材料元件可以在竖直方向上具有随机结构。例如，如图24所示，2D材料元件111A”可以具有其中多个第一2D材料M15”和多个第二2D材料M25”在竖直和/或水平方向上被随机地和不规则地排列的结构。图24的结构可以类似于上文中描述的“随机层叠结构”。
在对于薄膜10的退火工艺期间，指定或给定的硫属元素基材料可以被注入到其中放置薄膜10的腔室中。所述硫属元素基材料例如可以包括S、Se和Te之一。如果第一和第二前体分别是(NH4)2MoS4和(NH4)2WS4，则该硫属元素基材料可以包括硫(S)。通过在退火工艺期间注入硫属元素基材料，可以更容易地形成第一2D材料1A和第二2D材料2A。此外，可以进行附加的退火(热处理)工艺。所述附加的退火工艺也可以在约300℃至约2000℃范围内的温度下进行。
此外，在进行将图11B的薄膜10转变为图11C的2D材料层10A的操作中的第一退火工艺之后，可以进一步进行硫属元素基材料注入工艺和第二退火工艺。换句话说，在进行第一退火工艺之后，可以在将硫属元素基材料注入到反应腔室(退火腔室)中的同时，进行第二退火工艺。所述硫属元素基材料例如可以包括S、Se和Te之一。第一和第二退火工艺可以在约300℃至约2000℃的范围内的温度下进行。
图12A和12B是示出根据示例实施方式的形成2D材料元件的方法的透视图。
参照图12A，包括第一金属氧化物1b和第二金属氧化物2b的薄膜20可以形成在衬底SUB1上。多个第一金属氧化物1b和多个第二金属氧化物2b可以形成指定或者给定的图案。例如，如图12A所示，第一金属氧化物1b和第二金属氧化物2b可以形成条纹图案。第一金属氧化物1b可以包括包含Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb的金属当中的一个的氧化物。第二金属氧化物2b可以包括包含Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb的金属当中的另一个的氧化物。例如，第一金属氧化物1b可以由MoO3形成，第二金属氧化物2b可以由WO3形成。薄膜20可以通过在衬底SUB1上形成由多个第一金属氧化物1b构成的图案并且在第一金属氧化物1b之间形成第二金属氧化物2b来形成。这里，可以为此执行光刻、电子束光刻或者纳米压印工艺。或者，薄膜20可以借助于氧化物固体的升华、蒸发和/或溅射来形成，或者可以通过沉积金属薄膜并且氧化该金属薄膜来形成。必要时，在薄膜20的形成过程中，还可以进行化学机械抛光(CMP)操作或者回蚀刻操作。
参照图12B，第一金属硫属元素化物基材料和第二金属硫属元素化物基材料可以分别由第一金属氧化物1b和第二金属氧化物2b形成，并且可以形成2D材料层20A，2D材料层20A包括包含第一金属硫属元素化物基材料的第一2D材料1B和包含第二金属硫属元素化物基材料的第二2D材料2B。第二2D材料2B可以化学地接合至第一2D材料1B的侧面(侧表面)。第一2D材料1B和第二2D材料2B可以分别相应于图2的第一2D材料M11和第二2D材料M21，或者图8的第一2D材料M16和第二2D材料M26。第一2D材料1B可以是n型半导体，第二2D材料2B可以是p型半导体，或者反之亦然。2D材料层20A可以具有PN结结构。
为了形成2D材料层20A，可以在将硫属元素基材料注入到反应腔室(退火腔室)中的同时进行退火工艺。所述硫属元素基材料例如可以包括S、Se和Te之一。如果第一2D材料1B和第二2D材料2B分别是MoO3和WO3，并且待形成的金属硫属元素化物基材料是MoS2和WS2，则硫属元素基材料可以包括硫(S)。换句话说，当在将S供应到反应腔室(退火腔室)中的同时对薄膜20进行退火工艺时，MoO3和WO3可以分别转变为MoS2和WS2。MoS2是第一2D材料1B的示例，WS2是第二2D材料2B的示例。基于第一金属氧化物1b和第二金属氧化物2b以及硫属元素基材料，第一2D材料1B和第二2D材料2B的类型可以改变。退火工艺例如可以在约300℃至约2000℃的范围内的温度下进行。接下来，可以进行附加的退火工艺。所述附加的退火工艺也可以在约300℃至约2000℃的范围内的温度下进行，但是不局限于此。
在图12A中，由第一和第二金属氧化物1b和2b形成的图案可以改变，因而图12B中由第一2D材料1B和第二2D材料2B形成的图案也可以改变。因此，可以形成具有所需图案的2D材料层。
虽然图12A和图12B示出根据示例实施方式的方法，其中第一和第二2D材料1B和2B通过由第一和第二金属氧化物1b和2b形成第一和第二硫属元素化物基材料而获得，但是第一和第二金属氧化物1b和2b可以分别被第一和第二金属代替。换言之，第一和第二2D材料1B和2B可以通过由第一和第二金属形成第一和第二硫属元素化物基材料而获得，其中第一和第二金属可以彼此不同。为了形成第一和第二硫属元素化物基材料，第一和第二金属可以与硫属元素基材料反应。例如，第一金属可以包括Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb中的一种，第二金属可以包括Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb中的另一种。例如，硫属元素基材料可以包括S、Se和Te中的一种。
图13A至13E是示出根据示例实施方式的形成2D材料元件的方法的透视图。
参照图13A，包括金属氧化物的薄膜30可以形成在衬底SUB1上。薄膜30可以是金属氧化物膜。该金属氧化物可以包括包含Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb的金属当中的一个的氧化物。作为示例，该金属氧化物可以包括MoO3。
参照图13B，掩模层ML1可以形成在薄膜30上。掩模层ML1可以具有用于暴露部分薄膜30的指定或者给定的图案化结构。例如，掩模层ML1可以由金属形成，并且可以具有条纹状的暴露区域。然而，掩模层ML1的形状不局限于此，并且可以改变。
参照图13C，通过将薄膜30的不被掩模层ML1覆盖的暴露区域处的金属氧化物转变成第一金属硫属元素化物基材料，可以形成第一2D材料1C。随着在将第一硫属元素基材料注入到反应腔室(退火腔室)内的同时进行退火工艺，薄膜30的暴露部分处的金属氧化物与第一硫属元素基材料反应，因而可以形成第一2D材料1C。该退火工艺可以在约300℃至约2000℃的范围内的温度下进行，但是不局限于此。第一硫属元素基材料例如可以包括S、Se和Te之一。如果金属氧化物是MoO3并且待形成的金属硫属元素化物基材料是MoS2，则第一硫属元素基材料可以包括硫(S)。换句话说，当在将S供应到反应腔室(退火腔室)内的同时对薄膜30进行退火工艺时，薄膜30A的暴露部分可以转变为MoS2。第一2D材料1C形成处的薄膜由附图标记30A表示。在薄膜30A中，被掩模层ML1覆盖的区域仍然可以是金属氧化物区域。所述区域由附图标记2c表示。
接下来，掩模层ML1可以被去除。没有掩模层ML1的图13C的结构可以如图13D所示。
接下来，剩下的金属氧化物区域2c被转变为第二金属硫属元素化物基材料，从而形成第二2D材料2C，如图13E所示。当在将第二硫属元素基材料供应到反应腔室(退火腔室)内的同时进行退火工艺时，剩下的金属氧化物区域2c处的金属氧化物可以与第二硫属元素基材料反应，从而形成第二2D材料2C。退火工艺例如可以在约300℃至约2000℃的范围内的温度下进行，但是不局限于此。第二硫属元素基材料例如可以包括S、Se和Te之一。如果金属氧化物是MoO3并且待形成的金属硫属元素化物基材料是MoTe2，则第二硫属元素基材料可以包括碲(Te)。换句话说，当在将Te供应到反应腔室(退火腔室)内的同时对薄膜30A进行退火工艺时，薄膜30A的暴露部分可以转变为MoTe2。因为相比于第一2D材料1C，第二硫属元素基材料更容易与金属氧化物区域2c反应，所以第一2D材料1C可以不变，并且仅金属氧化物区域2c可以被转变为第二2D材料2C。第二2D材料2C可以化学地接合至第一2D材料1C。其中形成了第一2D材料1C和第二2D材料2C的薄膜被称为2D材料层30B。
2D材料层30B可以相应于图9的2D材料元件112B。2D材料层30B的第一2D材料1C可以包括MoS2、MoSe2和MoTe2之一，而第二2D材料2C可以包括MoS2、MoSe2和MoTe2当中的另一个。或者，第一2D材料1C可以包括WS2、WSe2和WTe2之一，而第二2D材料2C可以包括WS2、WSe2和WTe2当中的另一个。以上所述的有关第一2D材料1C和第二2D材料2C的材料仅是示例，并且不局限于此。
在某些情形下，在图13D所示的操作中，可以形成选择性地覆盖第一2D材料1C的第二掩模层(未示出)，然后可以进行用于将不被第二掩模层覆盖并且被暴露的金属氧化物区域2c转变成为第二2D材料2C的操作。
此外，虽然图13A至13E示出根据示例实施方式的方法，其中形成包括两种2D材料1C和2C的2D材料层30B，但是其中可以做出修改，以形成包括三种或更多种2D材料的2D材料层。这里，所述三种或更多种2D材料例如可以包括MoS2、MoSe2和MoTe2，或者WS2、WSe2和WTe2。结果，可以形成如图10所示的2D材料层。
另外，图13A至13E示出了起始的薄膜30可以是金属氧化物的情形，然而，根据示例实施方式，起始的薄膜30可以是金属。换言之，第一和第二2D材料1C和2C可以由是由金属形成的薄膜30形成。在此情形下，薄膜30的第一金属区域可以与第一硫属元素基材料反应以形成第一2D材料1C，薄膜30的第二金属区域可以与第二硫属元素基材料反应以形成第二2D材料2C。金属可以包括例如Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb中的一种，第一和第二硫属元素基材料可以包括例如S、Se和Te中的一种。
根据示例实施方式的2D材料元件可以出于各种目的而被用于各种半导体器件(电子器件)。例如，根据示例实施方式的2D材料元件可以被用于各种器件，诸如二极管、太阳能电池、光检测器、晶体管、隧道器件、存储器件、逻辑器件、发光器件、储能器件和/或显示器，但是示例实施方式不局限于此。晶体管可以具有包括场效应晶体管(FET)、薄膜晶体管(TFT)、双极结型晶体管(BJT)、势垒型晶体管(即势垒晶体管(barristor))等等的各种结构中的任一种。2D材料元件可以被用于采用PN结的任何器件，可以取代现有技术中Si基器件中的Si，并且可以被用于可层叠器件、柔性器件和/或透明器件。因为根据示例实施方式的2D材料元件是2D材料，所以由于非常小的厚度，所述2D材料元件可以是柔性的，并且可以是透明的。因此，这样的材料可以用于层叠器件、柔性器件和/或透明器件。
根据示例实施方式的半导体器件可以包括包含以上参照图1至10描述的任何2D材料元件的材料层(半导体层)。例如，半导体器件可以包括多层结构，所述多层结构可以包括包含2D材料元件的半导体层和设置在半导体层的至少一个表面上的至少一个非半导体层。半导体层可以是2D材料层。至少一个非半导体层可以包括至少一个导电层和/或至少一个绝缘层。导电层可以包括导电2D材料层，绝缘层可以包括绝缘2D材料层。例如，导电2D材料层可以包括石墨烯，绝缘2D材料层可以包括六方氮化硼(h-BN)。然而，非半导体层可以不是2D材料层。常规半导体工艺中使用的各种绝缘材料和导电材料中的任何材料可以被用于非半导体层。绝缘材料可以包括硅氧化物、硅氮氧化物、硅氮化物、具有比硅氮化物大的介电常数的高k材料(例如铝氧化物、铪氧化物等等)、绝缘有机材料(聚合物)等等。导电材料可以包括诸如Ti、Al、Cr、Au、Ni和Pt的金属，金属化合物，以及导电有机材料(聚合物)。如果非半导体层由2D材料形成，则半导体器件的全部主要组成部分可以由2D材料形成。结果，可以更容易小型化并增大半导体器件的集成度。此外，可以实现柔性器件和透明器件。
以下，将参照图14至22描述包括根据示例实施方式的2D材料元件的各种半导体器件。
图14是示出包括根据示例实施方式的2D材料元件的半导体器件的截面图。图14示出隧道器件的一示例。
参照图14，包括根据示例实施方式的2D材料元件的半导体层SL10可以被提供，第一导电层CL10可以设置在半导体层SL10的第一表面(例如下表面)上。第二导电层CL20可以设置在半导体层SL10的第二表面(例如上表面)上。绝缘层NL10可以设置在第二导电层CL20上，第三导电层CL30可以布置在绝缘层NL10上。半导体层SL10可以包括根据以上参照图1至10描述的示例实施方式的2D材料元件中的任一个。因此，半导体层SL10可以包括在横向上彼此化学地接合的多个2D材料。此外，半导体层SL10可以具有PN结构、PNP结构或者NPN结构，或者可以具有有不同的带隙的多个区域。根据示例实施方式，半导体层SL10可以是隧道层。第一导电层CL10可以是漏电极，第二导电层CL20可以是源电极，第三导电层CL30可以是栅电极。绝缘层NL10可以是栅绝缘层。半导体层SL10的电性能或者第二导电层CL20与半导体层SL10之间的界面的电性能可以被第三导电层CL30控制。由于电荷经由半导体层SL10的隧穿，电流可以在第一导电层CL10与第二导电层CL20之间流动。
图14中，第一至第三导电层CL10、CL20和CL30可以由导电2D材料或者不是2D材料的常规导电材料形成。具体地，第二导电层CL20可以由诸如石墨烯的导电2D材料形成。此外，绝缘层NL10或者可以由诸如h-BN的绝缘2D材料形成，或者可以由不是2D材料的常规绝缘材料形成。
图15是示出包括根据示例实施方式的2D材料元件的半导体器件的截面图。图15示出BJT器件的一示例。
参照图15，包括根据示例实施方式的2D材料元件的半导体层SL11可以被提供，第一和第二绝缘层NL11和NL21可以设置在半导体层SL11的两相反表面。换句话说，半导体层SL11可以被布置在第一绝缘层NL1和第二绝缘层NL2之间。第一导电层CL11可以被进一步布置，第一导电层CL11经由第一绝缘层NL11面对半导体层SL11。第二导电层CL21可以被进一步布置，第二导电层CL21经由第二绝缘层NL21面对半导体层SL11。半导体层SL11可以包括根据以上参照图1至10描述的示例实施方式的2D材料元件。因此，半导体层SL11可以包括在横向上彼此化学地接合的多个2D材料。此外，半导体层SL11可以具有PN结构、PNP结构或者NPN结构，或者可以具有有不同的带隙的多个区域。根据示例实施方式，半导体层SL11可以是隧道层。此外，半导体层SL11可以是基极。第一导电层CL11可以是发射极，第二导电层CL21可以是集电极。发射极和集电极可以是电极元件。第一绝缘层NL11可以是第一势垒层，第二绝缘层NL21可以是第二势垒层。第一绝缘层NL11可以是隧道势垒层，第二绝缘层NL21可以是滤波势垒层。在示例实施方式中，半导体器件可以以类似于常规BJT器件的方式操作。
图16是示出包括根据示例实施方式的2D材料元件的半导体器件的截面图。图16示出势垒型晶体管(例如势垒晶体管)的一示例。
参照图16，可以提供包括根据示例实施方式的2D材料元件的半导体层SL12，并且可以提供接触半导体层SL12的第一导电层CL12。可以提供与第一导电层CL12间隔开的的第二导电层CL22。绝缘层NL12可以设置在第一导电层CL12和第二导电层CL22之间。半导体层SL12可以包括根据以上参照图1至10描述的任何实施方式的2D材料元件。根据示例实施方式，半导体层SL12可以用作沟道层。第一导电层CL12可以与半导体层SL12在界面处形成肖特基势垒。绝缘层NL12可以是栅绝缘层，第二导电层CL22可以是栅电极。基于施加于第二导电层CL22的电压，肖特基势垒的高度可以被控制，并且半导体器件可以被导通/关断。虽然未示出，但是可以进一步提供接触半导体层SL12的源电极和漏电极。当肖特基势垒的高度低时，电流可以经由源电极和漏电极流动。当肖特基势垒的高度高时，电流的流动可以被阻挡。这里，如果第一导电层CL12由石墨烯形成，则根据示例实施方式的半导体器件可以被称为石墨烯势垒晶体管。
图17是示出包括根据示例实施方式的2D材料元件的半导体器件的截面图。图17示出场效应晶体管(FET)的一示例。光检测器也可以具有与图17中示出的结构相似的结构。
参照图17，包括根据示例实施方式的2D材料元件的半导体层SL13可以被提供，绝缘层NL13可以设置在半导体层SL13的一表面(例如下表面)上。可以设置经由绝缘层NL13面对半导体层SL13的第一导电层CL13。彼此间隔开的第二导电层CL23和第三导电层CL33可以被布置在半导体层SL13的另一表面(例如上表面)上。半导体层SL13可以包括根据以上参照图1至10描述的示例实施方式的2D材料元件。根据示例实施方式，半导体层SL13可以是沟道层。半导体层SL13可以具有例如PNP结构或者NPN结构。绝缘层NL13可以是栅绝缘层，第一导电层CL13可以是栅电极。第二导电层CL23和第三导电层CL33可以分别是源电极和漏电极。如果半导体层SL13具有PNP结构，则第二导电层CL23和第三导电层CL33可以接触半导体层SL13的P区域。如果半导体层SL13具有NPN结构，则第二导电层CL23和第三导电层CL33可以接触半导体层SL13的N区。如果如图17所示的结构用作光检测器，则半导体层SL13可以是光敏层。
图18是示出包括根据示例实施方式的2D材料元件的半导体器件的截面图。图18示出存储器件的一示例。这里，存储器件可以是电荷俘获存储器件。
参照图18，包括根据示例实施方式的2D材料元件的第一半导体层SL14可以被提供，并且绝缘层NL14和第一导电层CL14可以分别设置在第一半导体层SL14的两表面上。例如，绝缘层NL14可以设置在第一半导体层SL14的下表面上，第一导电层CL14可以布置在第一半导体层SL14的上表面上。第二半导体层SL24可以设置在绝缘层NL14的下表面上。第二半导体层SL24可以包括2D半导体，或者可以不包括2D半导体。可以提供接触第二半导体层SL24的第二导电层CL24和第三导电层CL34。第一半导体层SL14可以包括根据以上参照图1至10描述的任何实施方式的2D材料元件。根据示例实施方式，第一半导体层SL14可以是电荷俘获层。绝缘层NL14可以是隧道势垒层，第一导电层CL14可以是栅电极。第二半导体层SL24可以是沟道层，第二导电层CL24和第三导电层CL34可以分别是源电极和漏电极。通过利用根据电荷是否俘获在第一半导体层SL14中的在第二导电层CL24和第三导电层CL34之间流动的电流的量的变化，数据可以被存储在存储器件中。
如图14至18所示的结构可以被颠倒(即颠倒的结构)。例如，当图18中示出的结构被颠倒时，可以形成如图19所示的结构。
此外，如图14至19所示的单元结构可以被反复地层叠两次或者更多次，并在其间插入层间绝缘层。例如，图20示出一结构，其中如图17所示的单元结构被层叠两次。参照图20，如图17所示的两个单元结构(单元器件)D10和D20被层叠，其中一中间绝缘层NL15被插入其间。
在图14至20中，绝缘层NL10至NL15和NL21可以由诸如h-BN的绝缘2D材料形成，或者可以不包括2D材料。在后者的情形下，绝缘层NL10至NL15和NL21可以包括硅氧化物、硅氮氧化物、硅氮化物、具有比硅氮化物大的介电常数的高k材料(例如铝氧化物、铪氧化物等等)、绝缘有机材料(聚合物)等等。此外，在图14至20中，导电层CL10至CL34可以由诸如石墨烯的导电2D材料形成，或者可以不包括2D材料。在后者的情况下，导电层CL10至CL34可以包括诸如Ti、Al、Cr、Au、Ni和Pt的金属，金属化合物，以及导电有机材料(聚合物)。如果绝缘层NL10至NL15和NL21以及导电层CL10至CL34由2D材料形成，则半导体器件的全部主要组成部分可以由2D材料形成。结果，可以更容易小型化并增大半导体器件的集成度。如果半导体器件的主要组成部分由2D材料形成，则单元器件(例如图20的D10或者D20)的总厚度可以非常小(小于或者等于10nm)，因而可以获得诸如由于增大的集成度导致的增大的电容的效果。此外，如果半导体器件的主要组成部分由2D材料形成，则可以容易地实现柔性器件和/或透明器件。
用于柔性器件的绝缘材料可以包括绝缘2D材料诸如h-BN、或者有机-无机混合材料、或者一般绝缘氧化物诸如A2O3、HfO2、TiO2等等。有机-无机混合材料可以是有机-无机混合硅氧烷，有机-无机混合硅氧烷可以包括例如SiOC。用于柔性器件的绝缘材料可以具有等于或小于大约10nm的厚度。用于柔性器件的绝缘材料可以是非常薄的材料(例如，2D材料)，其可以不具有层间相互作用。在绝缘材料是具有相对良好的韧性的混合材料(例如，SiOC)的情形下，绝缘材料可以具有大于大约10nm的厚度。
图21是示出包括根据示例实施方式的2D材料元件的半导体器件的截面图。图21示出二极管的一示例。
参照图21，半导体层SL101可以设置在衬底SUB101上。半导体层SL101可以包括根据示例实施方式的2D材料元件。例如，半导体层SL101可以包括第一2D材料M101和第二2D材料M201。第二2D材料M201可以化学地接合至第一2D材料M101的侧面。第一2D材料M101和第二2D材料M201可以分别相应于图1的第一2D材料M10和第二2D材料M20。第一2D材料M101和第二2D材料M201也可以相应于图2的第一2D材料M11和第二2D材料M21。在此情形下，第一2D材料M101和第二2D材料M201可以分别是n型半导体和p型半导体。因此，半导体层SL101具有PN结结构。可以提供接触第一2D材料M101的第一电极E101，并且可以提供接触第二2D材料M201的第二电极E201。第一电极E101和第二电极E201的形状可以改变。
图22是示出包括根据示例实施方式的2D材料元件的半导体器件的截面图。图22示出太阳能电池的一示例。
参照图22，可以提供包括根据示例实施方式的2D材料元件的半导体层SL102。半导体层SL102可以包括具有不同的带隙的多个区域M102、M202和M302。例如，半导体层SL102可以包括多个2D材料M102、M202和M302。例如，第一至第三2D材料M102、M202和M302可以分别相应于图6的第一至第三2D材料M14、M24和M34。第一电极E102可以布置在半导体层SL102的第一表面(例如下表满)上，第二电极E201可以布置在半导体层SL102的第二表面(例如上表面)上。第一和第二电极E102和E201可以是透明电极。光能可以从第二电极E201上方入射到半导体层SL102上。因为第一至第三2D材料M102、M202和M302具有不同的带隙，所以大范围(宽波段)内的光能可以被第一至第三2D材料M102、M202和M302吸收。换句话说，第一2D材料M102可以吸收第一波长范围的光，第二2D材料M202可以吸收第二波长范围的光，第三2D材料M302可以吸收第三波长范围的光。因此，由半导体层SL102吸收的光的波长范围可以被扩大，从而提高能量转换效率。同时，附图标记L1、L2和L3表示透射而没有被第一至第三2D材料M102、M202和M302吸收的光(透射光)。
应该理解，在此描述的示例实施方式应当仅在描述的意义上被考虑，并非为了限制。对根据示例实施方式的每个二维(2D)材料元件、半导体器件和/或其制造方法中的特征或者方面的说明通常应当被认为是可用于根据示例实施方式的其他二维(2D)材料元件、半导体器件和/或其制造方法中的其他类似特征或者方面。例如，本领域普通技术人员将理解，图1至10以及图23和图24的2D材料元件的成分和结构可以改变。例如，2D材料M10和M20可以是不同于金属硫属元素化物基材料的材料，并且2D材料M10和M20可以表现出导体或者绝缘体性质，而不是半导体性质。此外，本领域普通技术人员将理解，以上参照图11A至11C、12A和12B以及13A至13E描述的制造2D材料元件的方法可以改变。此外，包括根据示例实施方式的2D材料的器件的结构不限于图14至22中示出的那些，并且可以改变。
虽然已经参照附图描述了一些示例实施方式，但是本领域普通技术人员将理解,可以对其做出形式和细节方面的各种改变，而不脱离权利要求的精神和范围。

Claims (44)

1.一种二维材料元件，包括：
第一二维材料，包括包含第一金属硫属元素化物基材料的第一单层晶体材料；以及
第二二维材料，包括包含第二金属硫属元素化物基材料的第二单层晶体材料，其中所述第一单层晶体材料和所述第二单层晶体材料横向地排列，
与所述第二二维材料的厚度对应的侧面化学地接合到与所述第一二维材料的厚度对应的侧面，和
所述第一金属硫属元素化物基材料和所述第二金属硫属元素化物基材料具有不同的金属原子或者不同的硫属元素原子。
2.如权利要求1所述的二维材料元件，其中所述第一二维材料和所述第二二维材料彼此共价地接合。
3.如权利要求1所述的二维材料元件，其中
所述第一二维材料和所述第二二维材料彼此原子间地接合，以及
所述第一二维材料和所述第二二维材料在所述第一二维材料和所述第二二维材料之间的接合部分具有连续的晶体结构。
4.如权利要求1所述的二维材料元件，其中
所述第一金属硫属元素化物基材料是第一过渡金属二硫属元素化物材料，
所述第二金属硫属元素化物基材料是第二过渡金属二硫属元素化物材料，以及
所述第一和第二过渡金属二硫属元素化物材料彼此不同。
5.如权利要求1所述的二维材料元件，其中所述第一金属硫属元素化物基材料和第二金属硫属元素化物基材料中的至少一个包括：
包括Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb之一的金属原子，以及
包括S、Se和Te之一的硫属元素原子。
6.如权利要求1所述的二维材料元件，其中所述第一二维材料和第二二维材料是半导体。
7.如权利要求1所述的二维材料元件，其中
所述第一二维材料是n型半导体，以及
所述第二二维材料是p型半导体。
8.如权利要求7所述的二维材料元件，其中
所述第一金属硫属元素化物基材料包括第一金属原子，
所述第二金属硫属元素化物基材料包括第二金属原子，以及
所述第一和第二金属原子彼此不同。
9.如权利要求7所述的二维材料元件，其中
所述第一金属硫属元素化物基材料包括第一硫属元素原子，
所述第二金属硫属元素化物基材料包括第二硫属元素原子，以及
所述第一和第二硫属元素原子相同。
10.如权利要求7所述的二维材料元件，其中所述第一金属硫属元素化物基材料是MoS2、MoSe2、MoTe2、WSe2和WTe2之一。
11.如权利要求7所述的二维材料元件，其中所述第二金属硫属元素化物基材料是WS2、ZrS2、ZrSe2、HfS2、HfSe2和NbSe2之一。
12.如权利要求7所述的二维材料元件，其中
所述第一金属硫属元素化物基材料包括MoS2，以及
所述第二金属硫属元素化物基材料包括WS2。
13.如权利要求1所述的二维材料元件，其中所述第一二维材料的带隙不同于所述第二二维材料的带隙。
14.如权利要求13所述的二维材料元件，其中
所述第一金属硫属元素化物基材料包括第一硫属元素原子，
所述第二金属硫属元素化物基材料包括第二硫属元素原子，以及
所述第一和第二硫属元素原子彼此不同。
15.如权利要求13所述的二维材料元件，其中
所述第一金属硫属元素化物基材料包括第一金属原子，
所述第二金属硫属元素化物基材料包括第二金属原子，所述第一和第二金属原子相同。
16.如权利要求13所述的二维材料元件，其中
所述第一金属硫属元素化物基材料是MoS2、MoSe2和MoTe2之一，以及
所述第二金属硫属元素化物基材料是MoS2、MoSe2和MoTe2中的另一个。
17.如权利要求13所述的二维材料元件，其中
所述第一金属硫属元素化物基材料是WS2、WSe2和WTe2之一，以及
所述第二金属硫属元素化物基材料是WS2、WSe2和WTe2中的另一个。
18.如权利要求1所述的二维材料元件，其中所述第一和第二二维材料之一被布置在所述第一和第二二维材料中的另一个的两相反侧。
19.如权利要求1所述的二维材料元件，其中
所述第一二维材料是多个第一二维材料之一，
所述第二二维材料是多个第二二维材料之一，以及
所述多个第一和第二二维材料定义图案化结构。
20.如权利要求1所述的二维材料元件，还包括：
接合至所述第一二维材料和所述第二二维材料之一的侧面的第三二维材料。
21.一种半导体器件，包括：
多层结构，包括半导体层和至少一个非半导体层，其中
所述半导体层包括如权利要求1所述的二维材料元件，以及
所述至少一个非半导体层在所述半导体层的至少一个表面上或者在所述半导体层的至少一个表面下。
22.如权利要求21所述的半导体器件，其中
所述多层结构包括第一导电层和第二导电层，
所述半导体层在所述第一导电层上，以及
所述第二导电层在所述半导体层上。
23.如权利要求22所述的半导体器件，其中
所述多层结构还包括第三导电层和绝缘层，
所述第三导电层在所述第二导电层上，以及
所述绝缘层在所述第二导电层和所述第三导电层之间。
24.如权利要求21所述的半导体器件，其中
所述多层结构包括第一绝缘层、第二绝缘层、第一导电层和第二导电层，
所述半导体层在所述第一绝缘层上，
所述第二绝缘层在所述半导体层上，
所述第一绝缘层在所述第一导电层上，
所述第一导电层面对所述半导体层，
所述第二导电层在所述第二绝缘层上，以及
所述第二导电层面对所述半导体层。
25.如权利要求21所述的半导体器件，其中
所述多层结构包括第一导电层、第二导电层和绝缘层，
所述第二导电层在所述第一导电层上，以及
所述绝缘层在所述第一导电层和所述第二导电层之间。
26.如权利要求21所述的半导体器件，其中所述多层结构包括：
第一导电层，与所述半导体层间隔开；
绝缘层，在所述半导体层和所述第一导电层之间；以及
第二导电层和第三导电层，分别接触所述半导体层的第一区域和第二区域。
27.如权利要求21所述的半导体器件，其中
所述多层结构包括绝缘层和第一导电层，
所述半导体层在所述绝缘层上，以及
所述第一导电层在所述半导体层上。
28.如权利要求27所述的半导体器件，其中所述多层结构包括：
第二半导体层，面对所述半导体层，所述绝缘层在所述半导体层与所述第二半导体层之间；以及
第二导电层和第三导电层，分别接触所述第二半导体层的第一区域和第二区域。
29.如权利要求21所述的半导体器件，其中所述至少一个非半导体层包括导电二维材料和绝缘二维材料中的至少一种。
30.如权利要求21所述的半导体器件，其中所述半导体层包括PN结结构、PNP结结构和NPN结结构中的至少一种。
31.如权利要求21所述的半导体器件，其中所述半导体层包括具有不同的能带隙的多种二维材料。
32.如权利要求21所述的半导体器件，其中
所述半导体器件是隧道器件，以及
所述半导体层是隧道层。
33.如权利要求21所述的半导体器件，其中
所述半导体器件是双极结型晶体管，以及
所述半导体层是隧道层。
34.如权利要求21所述的半导体器件，其中
所述半导体器件是势垒晶体管，以及
所述半导体层是沟道层。
35.如权利要求21所述的半导体器件，其中
所述半导体器件是场效应晶体管，以及
所述半导体层是沟道层。
36.如权利要求21所述的半导体器件，其中
所述半导体器件是存储器件，以及
所述半导体层是电荷俘获层。
37.如权利要求21所述的半导体器件，其中所述半导体器件是二极管。
38.如权利要求21所述的半导体器件，其中所述半导体器件是太阳能电池。
39.如权利要求21所述的半导体器件，其中所述半导体器件是光检测器。
40.一种二维材料元件，包括：
第一二维材料，化学地接合至第二二维材料，
所述第一二维材料包括第一金属硫属元素化物的第一晶体材料单层，
所述第二二维材料包括第二金属硫属元素化物的第二晶体材料单层，
所述第一和第二金属硫属元素化物具有不同的金属原子和不同的硫属元素原子之一，
所述第一晶体材料单层和所述第二晶体材料单层横向地排列，以及
与所述第一晶体材料单层的厚度对应的侧面化学地接合到与所述第二晶体材料单层的厚度对应的侧面。
41.如权利要求40所述的二维材料元件，其中
所述第一金属硫属元素化物包括第一金属，
所述第二金属硫属元素化物包括第二金属，以及
所述第一和第二金属中的至少一个是过渡金属。
42.如权利要求40所述的二维材料元件，其中所述第一金属硫属元素化物和第二金属硫属元素化物每个独立地包括：
包括Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb之一的金属原子；以及
包括S、Se和Te之一的硫属元素原子。
43.如权利要求40所述的二维材料元件，还包括：
第三二维材料，包括第三金属硫属元素化物的第三层，
其中所述第一和第三二维材料分别化学地接合至所述第二二维材料的两侧。
44.一种半导体器件，包括：
半导体层，包括如权利要求40所述的二维材料元件。
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