CN115551801A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

Info

Publication number
CN115551801A
CN115551801A CN202180033843.XA CN202180033843A CN115551801A CN 115551801 A CN115551801 A CN 115551801A CN 202180033843 A CN202180033843 A CN 202180033843A CN 115551801 A CN115551801 A CN 115551801A
Authority
CN
China
Prior art keywords
seed layer
layer
substrate
adatoms
heterostructure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202180033843.XA
Other languages
English (en)
Inventor
巴巴罗斯.欧伊尔迈兹
卓志达
伊凡.海德.阿比迪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National University of Singapore
Original Assignee
National University of Singapore
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National University of Singapore filed Critical National University of Singapore
Publication of CN115551801A publication Critical patent/CN115551801A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/4418—Methods for making free-standing articles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/05—Preparation or purification of carbon not covered by groups C01B32/15, C01B32/20, C01B32/25, C01B32/30
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C16/0272—Deposition of sub-layers, e.g. to promote the adhesion of the main coating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26—Deposition of carbon only
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/48—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating by irradiation, e.g. photolysis, radiolysis, particle radiation
    • C23C16/483—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating by irradiation, e.g. photolysis, radiolysis, particle radiation using coherent light, UV to IR, e.g. lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/0242—Crystalline insulating materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439—Materials
    • H01L21/02441—Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02444—Carbon, e.g. diamond-like carbon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02494—Structure
    • H01L21/02496—Layer structure
    • H01L21/02499—Monolayers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02494—Structure
    • H01L21/02496—Layer structure
    • H01L21/02505—Layer structure consisting of more than two layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02494—Structure
    • H01L21/02513—Microstructure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/0262—Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
    • H01L31/074—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type comprising a heterojunction with an element of Group IV of the Periodic Table, e.g. ITO/Si, GaAs/Si or CdTe/Si solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/109—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PN heterojunction type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/112—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by field-effect operation, e.g. junction field-effect phototransistor
    • H01L31/1127—Devices with PN heterojunction gate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/112—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by field-effect operation, e.g. junction field-effect phototransistor
    • H01L31/113—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by field-effect operation, e.g. junction field-effect phototransistor being of the conductor-insulator-semiconductor type, e.g. metal-insulator-semiconductor field-effect transistor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/0004—Devices characterised by their operation
    • H01L33/002—Devices characterised by their operation having heterojunctions or graded gap
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/02—Amorphous compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/70—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data
    • C01P2002/77—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data by unit-cell parameters, atom positions or structure diagrams
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/80—Crystal-structural characteristics defined by measured data other than those specified in group C01P2002/70
    • C01P2002/82—Crystal-structural characteristics defined by measured data other than those specified in group C01P2002/70 by IR- or Raman-data
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/01—Particle morphology depicted by an image
    • C01P2004/04—Particle morphology depicted by an image obtained by TEM, STEM, STM or AFM
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/40—Electric properties
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/60—Optical properties, e.g. expressed in CIELAB-values
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02373—Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02378—Silicon carbide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02373—Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02381—Silicon, silicon germanium, germanium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02387—Group 13/15 materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/024—Group 12/16 materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02422—Non-crystalline insulating materials, e.g. glass, polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02538—Group 13/15 materials
    • H01L21/0254—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02538—Group 13/15 materials
    • H01L21/02543—Phosphides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02538—Group 13/15 materials
    • H01L21/02546—Arsenides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02551—Group 12/16 materials
    • H01L21/02557—Sulfides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02551—Group 12/16 materials
    • H01L21/02562—Tellurides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02568—Chalcogenide semiconducting materials not being oxides, e.g. ternary compounds

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

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。

Description

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
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。
通过使用包括具有无序原子结构的二维(2D)单层无定形材料的层的种子层，由所述无序原子结构产生了多个局域电子态以形成在经由vdW相互作用生长所述材料层期间充当用于对吸附原子进行吸附的高能量位点的多个电势阱。这导致在吸附原子和所述种子层的表面之间更强的相互作用和吸附原子在所述种子层的表面上更高的成核密度(例如当与常规的vdW外延相比时)，其一起作用来增强吸附原子在所述种子层的表面上的润湿性以实现均匀的平面材料层生长。此外，所述种子层的无序原子结构也可被从完全无定形相调整为纳米结晶相以调节下伏衬底和所述材料层之间的相互作用，从而为远程控制该材料层的生长提供了一种有用途径。进一步地，由于所述材料层的生长衍生自吸附原子和所述种子层之间的vdW相互作用，因此所述种子层起到用于容许在任何衬底上生长任何材料层的通用种子层的作用。还进一步地，所述种子层的表面和所述材料层之间更强的vdW相互作用容许所生长的材料层从下伏衬底脱离以产生自支撑膜，这就异质结构电子器件的设计而言可为有利的。
所述2D单层无定形材料的层可包括2D单层无定形碳。
所述种子层在550nm-800nm的光波长处可具有大于98％的光学透明度。
所述种子层可为从室温一直到700℃、从室温一直到600℃、从室温一直到500℃、从室温一直到400℃、从室温一直到300℃、从室温一直到200℃、从室温一直到100℃或者在600℃-700℃、500℃-700℃、400℃-700℃、300℃-700℃、200℃-700℃、100℃-700℃、20℃-700℃的温度下、或在700℃下热稳定的。
所述种子层可包括沉积在所述2D单层无定形材料的层上的2D单层无定形材料的一个或多个另外的层以形成多层结构的所述种子层。
根据第二方面，提供形成种子层的方法，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的热能以将吸附原子俘获在所述种子层的表面上，所述方法包括：使用激光辅助化学气相沉积(LCVD)在衬底上生长所述种子层。
通过利用光解分解工艺，LCVD使得能够直接在各种各样的衬底(金属、半导体、绝缘体、玻璃和聚合物)上在低温下非催化生长所述种子层。光解分解指的是利用一个或多个光子来诱导分子的化学反应以将分子分解成更简单的粒子。这提供了许多优点。第一，激光辅助CVD的使用容许在感兴趣的衬底上直接生长所述种子层并且因此其绕过了当所述种子层或感兴趣的材料仅能够生长于特定基础衬底上时所需要的通常实践的耗时的转移方法。第二，通过能够在感兴趣的衬底上生长所述种子层和绕过该转移方法，其提供了所述种子层的更清洁的表面来用于后续生长所述材料层，因为所述材料层的生长可在相同的CVD或生长工艺中原位形成。这减少了所述种子层的表面上的可能的杂质，从而容许在所述种子层上形成无缺陷的均匀的平面材料层。为了清楚起见，应领会，所述材料层的后续生长不限于LCVD。可使用其它对于形成所述材料(例如2D、3D或氧化物材料)层而言合适的生长工艺，其中所述生长工艺可原位实施。第三，LCVD工艺使得能够在基础衬底上更低温度生长所述种子层，从而对于后续生长而言保留了基础衬底的原始表面和其材料的结晶度(性)，特别是如果基础衬底的材料具有低的热稳定性(例如在300℃或400℃以下的温度下热稳定)的话。第四，该低温激光辅助CVD工艺还与常规的半导体加工技术相容。
根据第三方面，提供了异质结构体，其包括：衬底；和形成于所述衬底上的种子层，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的热能以将吸附原子俘获在所述种子层的表面上。
所述衬底可包括如下之一：金属、半导体、绝缘体、玻璃、聚合物、硅、碳化硅、蓝宝石、第III-V族衬底、第II-VI族衬底、或氧化物。
当所述衬底为结晶性衬底时，所述种子层可适合于屏蔽由所述结晶性衬底的结晶性(度)提供的效应。
所述异质结构体可包括形成于所述种子层上的材料层，所述材料层是通过经由范德华(vdW)相互作用将所述材料的吸附原子结合至所述种子层的表面而形成的。
所述材料层可包括2D材料的一个或多个层，所述2D材料包括如下之一：石墨烯、硼墨烯、氮化硼、钙钛矿、过渡金属二硫属化物或黑磷烯(phosphorene)。
所述材料层可包括第III-V族半导体材料的一个或多个层。
所述第III-V族半导体材料可包括如下之一：GaAs、GaN、AlN、InP和InN。
所述材料层可包括第II-VI族半导体材料的一个或多个层。
所述第II-VI族半导体材料可包括如下之一：CdTe、CdS和ZnS。
所述材料层可包括氧化物的一个或多个层。
所述氧化物可包括如下之一：氧化铪、氧化铝、氧化锰、钙钛矿或尖晶石。
所述种子层可包括2D单层无定形碳。
根据第四方面，提供包括任意前述异质结构体的器件。
根据第五方面，提供在衬底上形成材料层的方法。所述方法包括：在所述衬底上形成种子层，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的热能以将吸附原子俘获在所述种子层的表面上；和通过经由范德华(vdW)相互作用将所述材料的吸附原子结合至所述种子层的表面，在所述种子层上形成所述材料层。
所述方法可包括改变所述2D单层无定形材料的层的无序原子结构以调节所述材料的吸附原子和所述种子层的表面之间的vdW相互作用的强度。
所述方法可包括：在所述材料层上形成操作(handling)层；和将所述种子层从所述衬底脱离以形成包括所述种子层和所述材料层的自支撑膜。
在所述衬底上形成所述种子层可包括使用激光辅助化学气相沉积(LCVD)在所述衬底上形成所述种子层。
激光辅助CVD可在如下温度下进行：室温(例如20℃)-400℃、20℃-50℃、20℃-100℃、20℃-150℃、20℃-200℃、20℃-300℃、100℃-200℃、100℃-300℃、200℃-300℃、200℃-400℃或300℃-400℃。在一些实施方式中，20℃-300℃或20℃-400℃的温度范围可为有利的，因为由于互补金属氧化物半导体(CMOS)技术典型地具有在这些温度范围内的温度限制，这与工业工艺相辅相成。例如，如果薄膜材料暴露于300℃或400℃以上的高温的话，它们中的纳米尺寸畴可被破坏。在一些实施方式中，在室温下使用LCVD生长所述种子层可为有利的，因为对于LCVD生长过程而言不需要加热并且因此所使用的生长设备可不需要装备有加热器或者合适的隔热/安全壳。进一步地，对于所述种子层的LCVD生长而言消除加热还减少了能量消耗和因此材料生长的总成本。
根据第六方面，提供用于增强吸附原子和种子层的表面之间的范德华(vdW)相互作用以在所述种子层上形成材料层的方法。所述种子层包括二维(2D)单层的层，并且所述方法包括：在所述种子层中产生无序原子结构，所述种子层的所述无序原子结构适合于产生多个局域电子态以形成用于经由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的热能以将吸附原子俘获在所述种子层的表面上。
应领会，与一个方面有关的特征可适用于其它方面。因此实施方式提供包括具有无序原子结构的二维(2D)单层无定形材料的层的种子层，其中通过所述无序原子结构产生多个局域电子态以形成在经由vdW相互作用生长所述材料层期间充当用于对吸附原子进行吸附的高能量位点的多个电势阱。这导致吸附原子和所述种子层的表面之间更强的相互作用和吸附原子在所述种子层的表面上的更高成核密度，其一起作用来增强吸附原子在所述种子层的表面上的润湿性以实现均匀的平面材料层生长。此外，所述种子层的无序原子结构还可被从完全无定形相调整为纳米结晶相以调节下伏衬底和所述材料层之间的相互作用，从而为远程控制该材料层的生长提供一种有用途径。进一步地，所述种子层的表面和所述材料层之间更强的vdW相互作用容许所生长的材料层从下伏衬底脱离以产生自支撑膜，这就异质结构电子器件的设计而言可为有利的。
附图说明
现在将仅通过举例的方式，参照附图描述实施方式，其中：
图1显示根据实施方式的包括种子层的异质结构体的示意性结构；
图2显示根据实施方式的包括单层无定形碳(MAC)的种子层的平面图的示意性；
图3显示如下流程图：其显示用于形成图1的异质结构体的方法的步骤；
图4显示如下流程图：其显示使用图1的异质结构体形成包括种子层和材料层的自支撑膜的方法的步骤；
图5显示对关于图4的用于形成自支撑膜的方法的步骤进行说明的示意图；
图6显示对根据实施方式的在三种不同衬底即钛、玻璃和铜上的所生长MAC膜所拍摄的照片；
图7显示图6的所生长MAC膜的拉曼光谱；
图8显示对MAC膜内的面外结构弛豫的理论模拟进行说明的图，该面外结构弛豫在根据实施方式的MAC膜的晶格结构内诱导局部应变；
图9显示用于图8的理论模拟的模型，其上叠加有波函数的模平方以显示MAC的原子结构中的局域电子分布；
图10显示根据实施方式的MAC的光学透射光谱的绘图；
图11A和11B显示根据实施方式的具有两种不同结构变化的种子层的扫描透射电子显微镜法(STEM)图像，其中图11A显示MAC膜的STEM图像并且图11B显示纳米结晶性石墨烯膜的STEM图像；
图12A和12B显示根据实施方式的在约700℃下的温度处理之前和之后的MAC的拉曼光谱，其中图12A显示在该温度处理之前的MAC的拉曼光谱并且图12B显示在该温度处理之后的MAC的拉曼光谱；
图13显示图12B的MAC在该温度处理之后的透射电子显微镜法(TEM)；
图14显示根据实施方式的包括生长于在衬底上的种子层上的二维(2D)材料的异质结构体的示意图；
图15显示根据实施方式的包括生长于在衬底上的种子层上的三维(3D)材料的异质结构体的示意图；
图16A、16B和16C显示根据实施方式的生长于三种不同表面上的MoS2的光学图像，其中图16A显示生长于二氧化硅(SiO2)上的MoS2的光学图像，图16B显示生长于在SiO2上的MAC单层上的MoS2的光学图像，并且图16C显示生长于在SiO2上的MAC少层上的MoS2的光学图像；
图17A和17B显示根据实施方式的使用蓝宝石衬底生长的MoS2的扫描电子显微镜法(SEM)图像，其中图17A显示直接生长于蓝宝石衬底上的和在蓝宝石衬底上的MAC单层上的MoS2的SEM图像，并且图17B显示生长于在蓝宝石衬底上的MAC单层上的MoS2的放大SEM图像；
图18A和18B显示根据实施方式的使用蓝宝石衬底生长的MoS2的扫描电子显微镜法(SEM)图像，其中图18A显示直接生长于蓝宝石衬底上的和在蓝宝石衬底上的MAC少层上的MoS2的SEM图像，并且图18B显示生长于在蓝宝石衬底上的MAC少层上的MoS2的放大SEM图像；和
图19显示根据实施方式的生长于在SiO2衬底上的MAC单层上的In2Se3的原子力显微镜法(AFM)图像。
具体实施方式
示例性实施方式涉及种子层、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vdW相互作用的方法。
领会，在本申请中，单数的使用包括复数，除非另有具体陈述。应注意，当用在说明书和所附权利要求中时，单数形式“一个(种)(a，an)”和“该(所述)”包括复数个指示物，除非上下文清楚地另有规定。此外，术语“包括”、和“具有”以及其它形式例如“包含”、“拥有”的使用不被认为是限制性的。
在本申请中，如本文中描述的器件和/或异质结构体可为能以各种方位操作的，并且因此应理解，当在以下描述中使用时，术语“顶部”、“基础”、“下伏(的)”等是为了方便以及辅助相关位置或方向的理解而使用的，并且不意图限制器件和/或异质结构体的方位。
如本文中使用的，术语“和/或”包括相关列举项目的一个或多个的任何和全部组合。
在本实施方式中，通过使用包括具有无序原子结构的二维(2D)单层无定形材料的层的种子层(其中由所述无序原子结构产生多个局域电子态以形成多个电势阱)，所述种子层具有对于在经由vdW相互作用生长所述材料层期间对吸附原子进行吸附而言的高能量位点。所述多个局域电子态指的是在所述2D单层无定形材料内的未延伸成彼此重叠的多个电子态的分布。特别地，在无序材料体系中，这些局域电子态彼此充分分离，这可导致不存在所述2D单层无定形材料的电传导。由所述2D单层无定形材料的多个局域电子态形成的电势阱指的是这样的捕获位点：其势能在大小上大于可用的周围热能以将吸附原子俘获在所述种子层的表面上、优选地这些电势阱的位置处。由通过所述2D单层无定形材料的无序原子结构产生的多个局域电子态形成的这些电势阱提供了吸附原子和所述种子层的表面之间的强相互作用和吸附原子在所述种子层的表面上的高成核密度，其一起作用以增强吸附原子在所述种子层的表面上的润湿性以实现后续的均匀的平面材料层生长。在此情况下，增强吸附原子的润湿性指的是改善吸附原子和所述种子层的表面之间的吸引力，使得该吸引力强于吸附原子之间的吸引性相互作用力。增强吸附原子的润湿性导致在所述种子层的表面上形成吸附原子的均匀分布，而不是在该表面上形成吸附原子的簇。此外，所述种子层的无序原子结构还可被从完全无定形相调整为纳米结晶相以调节下伏衬底和所述材料层之间的相互作用，从而为远程控制该材料层的生长提供一种有用途径。进一步地，所述种子层的表面和所述材料层之间强的vdW相互作用容许将所生长的材料层从下伏衬底脱离以产生自支撑膜，这就异质结构电子器件而言可为有利的。在本上下文中，术语“无定形材料”指的是缺乏结晶性材料的典型的长程有序性的材料。术语“单层”指的是一个原子厚的层，其可范围从几埃
Figure BDA0003931666590000091
至几纳米厚。
图1显示根据实施方式的异质结构体100的示意性结构。异质结构体100包括形成于衬底104上的种子层102。如图1中所示，种子层102直接形成于衬底104上(即种子层102形成于衬底104的顶部上并且与衬底104相邻)。衬底104为种子层102提供结构支持。异质结构体100还包括形成于种子层102上的材料层106。材料层106包括任何感兴趣的材料并且将在以下关于图14和15对这进行进一步描述。种子层102包括具有无序原子结构的二维(2D)单层无定形材料的层。该无序原子结构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种子层102的表面以形成材料层106的多个电势阱。包括所述2D单层无定形材料的层的种子层102可由任何2D材料形成，只要种子层102具有如下的无序原子结构：其产生多个局域电子态以形成用于增强吸附原子和种子层102的表面之间的vdW相互作用的多个电势阱。
在如下所述的实施方式中，使用单层无定形碳(MAC)作为用于种子层102的示例性2D单层无定形材料。将关于使用MAC的一个或多个层作为种子层102来描述图2-19。MAC包括sp2键合的碳晶格，其保留了与石墨烯单层类似的vdW相互作用，但是由其如下无序原子结构提供另外的vdW相互作用：所述无序原子结构产生可充当用于使面内的吸附原子与MAC的表面对齐的驱动力的多个局域电子态。当使用MAC作为种子层102时，这导致吸附原子在种子层102的表面上更高的表面润湿性(例如当与石墨烯或其它结晶性2D材料相比时)，从而实现材料层106的均匀的且平面的生长。这使得MAC成为作为用于外延和/或非外延生长各种各样的材料膜的种子层102的理想候选物，这与例如石墨烯形成对照。
图2显示包括MAC的种子层的平面图200的示意图。如图2中所示，MAC包括无序sp2碳(C)原子的以二维(2D)形式并且没有任何晶界的无序原子排列与连续网络(均质的)。这与包括以晶界分隔的有序晶畴的常规多晶石墨烯(非均质的)形成对照。由于在MAC种子层102中缺乏晶界，因此所公开的MAC种子层102是超强的，从而使得其适合用于可需要变形例如弯曲和伸缩(拉伸，stretching)的应用。在MAC中，六边形碳环对碳环总数(即，六边形和非六边形碳环的总数)的比率可小于1。
图3显示如下流程图：其显示用于形成图1的异质结构体100的方法300的步骤。
在步骤302中，在衬底104上形成种子层102。在本实施方式中，种子层102包括单层无定形碳(MAC)，并且衬底104包括蓝宝石衬底。在本实施方式中，MAC是使用激光辅助化学气相沉积(LCVD)工艺以烃作为前体(例如CH4、C2H2等)在室温下形成的。也可将氢气(H2)以及氩气(Ar)与所述前体混合。在该LCVD工艺中，激光既起到在称作光解分解的过程中使所述前体气体分解的能源的作用，又起到局部热源的作用。在本实施方式中，用于制造MAC种子层102的LCVD工艺使用以下参数：(i)工艺气体：C2H2；(ii)腔室压力：2x10-2毫巴；(iii)激光注量(fluence)：70mJ/cm；(iv)生长时间：1分钟；(v)等离子体功率：5W。虽然在本实施方式中使用LCVD工艺来形成MAC，但是将领会，在其它实施方式中LCVD工艺也可用于形成非碳基种子层102。
对于生长工艺而言，以上示例性工艺采用了在生长腔室内使用乙炔(C2H2)。在生长期间腔室内的气体压力始终被控制为2x10-2毫巴。该气体是在以5W功率操作的等离子体发生器的存在下。当将248nm准分子激光以70mJ/cm的注量以及50Hz的脉冲频率暴露于蓝宝石衬底104的表面上时生长开始。将激光暴露时间(即，生长持续时间)设置为1分钟以在衬底104上获得连续MAC种子层102。在该生长中，未使用阶段(stage)加热器。为了控制和/或改变所公开的MAC种子层102的性质，可调节本文中公开的多个参数，包括，但不限于，作为前体的烃，前体混合物，对光解分解工艺和设备的调节，温度调整，衬底温度调节，C值的变化，原子层数的变化，sp2变化为sp3的比率，以及在对衬底104的粘附方面的变化。在本实施方式中，MAC种子层102的厚度被设计为大约一个原子层厚。
进一步地，应领会，使用光解分解方法来形成如上所述的种子层102不同于使用例如热CVD(TCVD)形成2D材料膜的典型方法。特别地，TCVD需要热的衬底来在所述衬底的表面上发生吸附原子的键断裂和键形成的化学反应。然而，为了发生此类反应而需要的温度典型地比2D材料的结晶化温度高得多。这意味着，在为了在衬底的表面上形成2D材料膜而需要的最低生长温度下，沉积在衬底表面上的2D材料的原子是高度运动性的(例如表面扩散)并且将使它们自己重新排列，从而导致在该2D材料的形成期间一些程度的结晶化。结果，形成的2D材料膜将具有不同程度的结晶度，并且不可能是完全或充分无定形的。相比之下，通过使用光解分解方法，在2D材料的原子在较低温度下(例如在室温下、或者在低于结晶化温度的温度下)沉积在衬底表面上时，来自激光的能量使前体气体的键断裂并且为后续的2D材料膜形成提供额外的能量。因此，通过在低温下使用光解分解方法，2D材料的所沉积原子在落在衬底的表面上之后运动性较低并且不太可能移动。原子的原子运动(表面扩散)方面的限制防止2D材料的晶体形成。因此可形成单层无定形膜。
通过使用光解分解方法来形成如上所述的MAC种子层102，可提供许多优点。第一，如通过LCVD合成的MAC种子层102可与现有半导体加工技术整合。特别地，LCVD是一种工业上可缩放的工艺，其可实现大面积膜的高产量。因此，用于种子层形成的LCVD工艺可容易地与当前的半导体加工技术整合，从而使得该工艺在工业上是相容的和可缩放的。此外，LCVD是一种超快沉积技术，其中可将衬底104的整个表面在不到60秒内用MAC膜覆盖。因此，与广泛使用的原子层沉积(ALD)工艺相比，LCVD更高效。
第二，使用LCVD意味着，MAC种子层102可在低于300℃(例如低达200℃或者甚至在室温下)的低温下合成，这与硅基技术是相容的。而且，与石墨烯的生长形成对照，使用LCVD的MAC生长的成本明显更低，因为对于LCVD生长而言，与需要约1000℃的温度的石墨烯的常规热化学气相沉积相比，需要更少的能量。进一步地，合成温度的降低(例如降低为20℃-150℃的温度)可使得可实现在用于OLED和柔性电子设备的聚合物衬底上的直接MAC生长。作为种子层102的MAC的低温生长也是有利的，因为其使单晶衬底的晶格破坏或表面重构最小化，从而在种子层102和衬底104之间保持了原始的且光滑的界面。
第三，在通过LCVD进行MAC的低温光解生长的情况下，可在各种各样的衬底(包括Si、单晶、多晶、金属、玻璃、聚合物等)上进行MAC种子层102的直接生长。而且，在种子层102上后续生长材料层106受MAC种子层的表面和吸收的吸附原子的vdW相互作用所支配，从而使衬底104对该后续材料生长的作用最小化。特别地，MAC的一个或多个层可适合于屏蔽下伏衬底104结晶信息并且因此支配后续生长机理。
在步骤304中，在种子层102上形成或沉积材料层106。由于如由种子层102的无序原子结构所提供的在吸附原子和种子层102的表面之间更强的vdW相互作用，因此可使用各种各样的材料来形成材料层106。关于图14和15对此进行进一步描述。因此将领会，大量的生长或沉积技术可用于形成材料层106，这取决于用于材料层106的材料。可应用的沉积技术的实例包括分子束外延(MBE)、大气压CVD(APCVD)、金属有机CVD(MOCVD)、等离子体增强CVD(PECVD)、热CVD(TCVD)和原子层沉积(ALD)。关于图16A-19，讨论了用于形成材料层106的不同材料的实施方式。
图4显示如下的流程图：其显示使用图1的异质结构体100形成包括种子层102和材料层106的自支撑膜的方法400的步骤。
在步骤402中，在材料层106上形成操作层。换而言之，操作层形成于材料层106上并且与材料层106相邻。操作层包括对下伏材料层106的粘附可比种子层102和衬底104之间的粘附更强的金属应力源(stressor)层、柔性胶带(tape)层或胶粘剂材料层。
在步骤404中，将种子层102从衬底104脱离以形成自支撑膜。这是通过如下实现的：将材料层106和种子层102从衬底104剥落或剥离以形成自支撑膜，并且随后除去形成或附着于材料层106的操作层。剥落受与和衬底104的相互作用相比，种子层102与材料层106之间更强的相互作用所支配。种子层102和材料层106之间更强的界面，以及种子层102与下伏衬底104的非共价结合有助于将自支撑膜从衬底104剥落。这是有利的，因为可将包括种子层102和材料层106的自支撑膜分离而用于例如柔性和透明光电子器件中，而衬底104可被再利用。
图5显示对图4的用于形成自支撑膜的方法400的步骤进行说明的示意图500。在本实施方式中，在衬底510上形成双层MAC并且其用作种子层512。在种子层512上形成双层2D材料作为材料层514。
如示意图502所示，在材料层514的顶部上形成操作层516。这对应于如上所述的步骤402。
如示意图504所示，材料层514和种子层512从衬底510的剥落或剥离是使用操作层516进行的。脱离的自支撑层518包括材料层514和种子层512。
如示意图506所示，随后将操作层516从自支撑层518除去。操作层516可例如通过以下方式除去。当操作层516为金属应力源层时，其可通过将操作层516浸在金属蚀刻剂中而除去。当操作层516为柔性胶带层时，该柔性胶带层可包括热释放或UV释放粘附力，其可分别通过将胶带加热或者暴露于UV光而除去。
图6显示对在三种不同衬底即钛、玻璃和铜上的所生长MAC膜所拍摄的照片600。如图6中所示，照片602显示在钛衬底上的所生长的MAC膜，照片604显示在玻璃衬底上的所生长MAC膜，并且照片606显示在铜衬底上的所生长MAC膜。至少由照片604清楚，所沉积的MAC膜在可见光中是透明的。
图7显示图6的所生长MAC膜的拉曼光谱。拉曼光谱702是使用生长于玻璃衬底上的MAC膜获得的，拉曼光谱704是使用生长于钛衬底上的MAC膜获得的，并且拉曼光谱706是使用生长于铜衬底上的MAC膜获得的。如在图7的全部拉曼光谱702、704、706中所示，不存在结晶性石墨烯单层所典型的2D峰(在约2700cm-1处)。相反，拉曼光谱702、704、706全部显示宽的G峰708(在约1600cm-1处)和D峰710(在约1350cm-1处)。D和G峰的加宽通常指示从纳米结晶性石墨烯向无定形膜的转变。拉曼光谱702、704、706还表明了在约0.5-1的范围内的D/G比率。与不存在2D峰相组合的该D/G比率使MAC的无序原子结构区别于2D石墨烯和金刚石的结构。拉曼光谱702、704、706也证实了在这三种不同衬底上的所生长MAC膜的生长。
图8显示对MAC膜802内的面外结构弛豫的理论模拟进行说明的图800，该面外结构弛豫在MAC膜802的晶格结构中诱导局部应变。在本理论模拟中，模型中MAC膜802的原子的原子坐标初始排列在平坦的2D平面中。通过考虑这些原子之间的相互作用力，在3D空间中发生这些原子的原子重排，并且MAC膜802的原子的原子坐标占据它们新的平衡位置，在所述位置中MAC膜802的结构处于具有最低内能的其最稳定构型。如图800中所示，所模拟的MAC膜802为单层并且具有约
Figure BDA0003931666590000131
的厚度804。MAC膜802的无定形或无序原子结构产生具有局域电子分布的应变的2D晶格，从而提供具有相对高能量的表面。这样的表面引发与吸附的吸附原子的强相互作用，从而导致更高的对于均匀且平面的2D和/或3D材料膜形成而言所需要的表面润湿性。这有助于克服由于2D结晶性材料的表面的固有的更低表面能而引起的对于vdW外延而言在2D表面上3D材料膜的低润湿。
进一步地，MAC 802由于其无序原子排列和增强的vdW相互作用而引起的更高表面能导致对于MAC种子层上的所吸附的吸附原子而言高数量的成核位点。高数量的成核位点(或者更高的成核密度)可显著降低对于后续材料层生长的生长速率和温度要求，从而使得生长过程更节能并且成本划算。此外，MAC 802(即种子层)和材料层(或外延层)之间增强的vdW相互作用导致更强界面，该界面即使在后续高温生长过程期间也是稳定的。这保证了平面材料层的后续形成的均匀性并且防止或减少了在所述材料层的该后续生长期间岛和/或簇的形成。注意，所述材料层中岛和/或簇的形成导致非平面的活性层材料膜，其对使用此类非平面材料层形成的后续器件的器件性能是有害的。
图9显示用于图8的理论模拟的模型900。模型900叠加有波函数的模平方以显示MAC 802的原子结构中的局域电子分布902。
如图9的模型900中所示，MAC膜是在其结构中具有六边形和非六边形环的混合物的单原子厚的碳膜。所述环彼此完全连接，从而形成尺度至少以微米计的大面积膜形式的多边形的网络。六边形环的数量对碳环的总数(即六边形和非六边形环的总数)的比率为结晶度(或无定形度)的量度C。非六边形为4、5、7、8、9元环的形式。图9中显示了5元环904和7元环906，其与结晶性石墨烯所典型的规则6元环908形成对照。所公开的实施方式可佐证C值范围在0.5-0.8之间，包括端点。这不同于石墨烯，在石墨烯中由于纯六边形网络而C＝1。
图10显示根据实施方式的MAC 1002的光学透射光谱的绘图1000。
绘图1000说明在光波长范围内MAC 1002的光学透明度。如图10中所示，光学透明度在550nm的光波长处为～98.1％，并且透明度随着光波长增加而增加。因此，本发明的实施方式提供在550nm或更高的波长处具有等于或大于98％的光学透明度的MAC。所公开的MAC不同于石墨烯。线1004显示石墨烯的光学透明度的97.7％的理论极限。因此至少由绘图1000证明，本实施方式的MAC 1002与石墨烯相比在约550nm或更高的波长处呈现出更高的光学透明度。尤其是，在短波长(<400nm)处MAC 1002的透明度未快速降低。这可部分地是由于在MAC 1002的生长过程中更少的污染物所引起的，因为MAC 1002可在任何衬底上在不使用转移方法的情况下生长。MAC在可见光范围内高的光学透明度(在550nm处～98.1％，并且在更高的波长处光学透明度增加)使得MAC对于用于形成用于透明器件的后续活性半导体膜的在透明衬底(例如玻璃或合适聚合物)上的种子层而言是理想的候选物。
图11A和11B显示根据实施方式的具有两种不同结构变化的种子层的扫描透射电子显微镜法(STEM)图像1100、1110，其中图11A显示MAC膜的STEM图像1100并且图11B显示纳米结晶性石墨烯膜的STEM图像1110。如在图11B中所示的“白色”簇1112与吸收在纳米结晶性石墨烯膜的表面上的污染物有关并且与其原子结构的结晶性(度)无关。
取决于合成条件，在碳基种子层内的从完全无定形层(例如MAC)至纳米结晶性sp2-碳层(例如纳米结晶性石墨烯层)的宽范围的原子结构变化是可能的。此外，可形成范围从在衬底上的单层至多层堆叠体的种子层。此类结构变化可调节种子层和材料层(或外延层)之间的vdW相互作用，并且可远程调节衬底和吸附原子之间的相互作用以在生长期间形成材料层。例如，通过将种子层的结晶性从完全无定形调节为纳米结晶性，可实现衬底和吸附原子之间更大的相互作用，因为2D无定形种子层的无序原子结构的多个电势阱提供了对衬底的结晶度效应的屏蔽。
调节碳基种子层的结晶性(度)的一种实例可通过使用与关于步骤302所描述的类似的基于激光的生长条件，但是在使用例如甲烷前体气体和铜箔衬底的情况下进行。例如，为了形成如图11B中所示的纳米结晶性碳膜，可将铜箔的温度设置在500℃-600℃的范围内，而为了形成完全无定形膜如图11A中所示者，可将铜箔的温度设置为低于400℃。这是因为，生长期间更高的衬底温度导致更具结晶性的材料。
图12A和12B显示根据实施方式的在约700℃下的温度处理之前和之后的MAC的拉曼光谱1200、1210，其中图12A显示在该温度处理之前的MAC的拉曼光谱1200并且图12B显示在该温度处理之后的MAC的拉曼光谱1210。
图12A显示由在该温度处理之前的MAC的拉曼光谱法获得的原始数据1202，其拟合出了D带1204和G带1206，而图12B显示由该温度处理之后的MAC的拉曼光谱法获得的原始数据1212，其拟合出了D带1214和G带1216。如拉曼光谱1200、1210中所示，D带1204、1214和G带1206、1216的形状以及它们的D/G比率是类似的。这证实了，在约700℃下进行热处理之后，在MAC的结晶度或晶粒尺寸方面没有可观察到的变化。因此MAC在～700℃的高温下是热稳定的，从而使MAC为对于后续高温生长材料层而言稳定的种子层。将领会，由于MAC在～700℃的温度下是热稳定的，因此其在低于700℃的任何温度下也是热稳定的。
图13显示图12B的MAC在该温度处理之后的透射电子显微镜法(TEM)图像1300。MAC的TEM图像1300具有10×10nm2的尺寸，其中如图13中所示的簇1302是覆盖MAC的一些区域的污染物。污染物簇1302可由于为了拍摄该TEM图像1300而从衬底(例如铜箔)向TEM网格的转移过程而形成，并且与MAC的结晶性无关。图13的插图1304为TEM图像1300的傅里叶变换并且显示TEM图像1300的衍射图案。特别地，插图1304显示无定形晕环，而不是分别指示纳米结晶性石墨烯或多晶石墨烯的清晰环或者单独斑点。
除了MAC是热稳定的层之外，MAC还具有高的导热性，这使得其能够在包括活性半导体外延层的异质结构体中充当热扩散层以将热量传输到散热器。这是有利的，因为热管理是薄膜器件例如LED的必要部分。MAC快速扩散热的能力有助于避免过热和器件性能的恶化。
图14显示根据实施方式的包括生长于在衬底1406上的种子层1404上的二维(2D)材料层1402的异质结构体1400的示意图。异质结构体1400具有与如图1中所示的异质结构体100类似的结构并且可使用图3的方法300形成或制造。
种子层1404包括直接生长于衬底1406上的单层无定形2D材料(例如在本实施方式中MAC，但是也可使用其它单层2D无定形材料)。本实施方式中的衬底1406包括SiO2，但是也可使用其它衬底例如Si、SiC、蓝宝石、第III-V族材料、第II-VI族材料、氧化物等。生长于衬底1406上的种子层1404用于利用2D材料层1402的吸附原子和种子层1404的表面之间强的vdW相互作用来稳定2D材料层1402的后续生长。这有利地有助于规避为了稳定生长2D材料层1402而使用专用衬底的严格要求。
虽然图14显示单层无定形碳(MAC)作为种子层1404，但是通过直接生长或转移方法，也可采用多层MAC。所生长的2D材料层1402包括如下的一个或多个层：单层2D无定形膜、2D结晶性膜、石墨烯、黑磷烯、硼墨烯、六边形氮化硼(hBN)或氮化硼、过渡金属二硫属化物(TMD)、钙钛矿和/或磷化硼(BP)。2D材料层1402可使用沉积技术例如金属-有机化学气相沉积(MOCVD)、热化学气相沉积(TCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、原子层沉积(ALD)生长于种子层1404上。2D-2D复合结构体(即，包括层1402、1404的自支撑结构体)可在生长之后从衬底1406脱离以形成自支撑堆叠体，该自支撑堆叠体可被进一步集成到薄膜和柔性光电子器件的制造过程中。
图15显示根据实施方式的包括生长于在衬底1506上的种子层1504上的三维(3D)材料层1502的异质结构体1500的结构。异质结构体1500具有与如图1中所示的异质结构体100类似的结构并且可使用图3的方法300形成或制造。异质结构体1500和异质结构体1400之间的区别是，生长于种子层1504上的材料层1502为3D材料层，这与异质结构体1400中包括的2D材料层1402形成对照。
以下描述包括不同类型的所用3D材料和衬底的不同实施方式。
i)CMOS相容性衬底(例如Si或Ge)与III-V半导体平面薄膜的集成
在该实施方式中，在Si或Ge衬底1506上形成MAC的层。MAC充当用于使用现有沉积技术(例如MOCVD、TCVD、PECVD、ALD等)来后续外延或非外延生长III-V半导体(例如GaAs、GaN、AlN、InP、InN等)的一个或多个层1502的种子层1504。所述III-V半导体材料可用作用于例如发光二极管(LED)、红外(IR)传感器、光电探测器和其它光电子器件的应用的活性层。
ii)II-VI半导体薄膜
将II-VI薄膜半导体(例如CdTe、CdS、ZnS等)集成于任意衬底(例如Si、半导体材料、玻璃、金属箔、聚合物等)上的能力对于太阳能电池、光伏和航空航天应用是有利的。如以上讨论的，通过vdW外延实现均匀的平面材料层由于在外延表面上低的润湿性而是挑战性的。在本实施方式中，可在衬底1506上形成充当种子层1504的MAC层1504用于外延或非外延生长II-VI半导体的3D平面膜的层1502。第II-VI族半导体材料3D膜的实例包括CdTe、CdS、ZnS等。
iii)氧化物薄膜
包括简单金属氧化物(Hf2O3、Al2O3、MnO等)和复杂氧化物(钙钛矿、尖晶石等)的氧化物薄膜由于它们的功能特性而在各种各样的电子、自旋电子、磁电和储能器件中起到显著作用。这些氧化物可充当电介质、压电材料、热电材料等。使用与图15中所示类似的方案，在衬底1506上，利用MAC作为种子层1504，可沉积氧化物的一个或多个层1502。该应用中的衬底1506可为任何任意衬底例如Si、半导体材料、玻璃、金属箔、聚合物等。也可使用如关于图4和5所描述的方法400将所沉积的氧化物膜层1502剥落以获得自支撑膜片。
图16A、16B和16C显示根据实施方式的生长于三种不同表面上的MoS2的光学图像1600、1610、1620，其中图16A显示生长于二氧化硅(SiO2)上的的MoS2的光学图像1600，图16B显示生长于在SiO2上的MAC单层上的MoS2的光学图像1610，并且图16C显示生长于在SiO2上的MAC少层上的MoS2的光学图像1620。
在本实施方式中，首先如关于图3的步骤302所描述的，使用LCVD方法在SiO2衬底上生长MAC。SiO2衬底上MAC的生长条件与关于步骤302对于蓝宝石衬底所描述的相同，并且为了简洁，未将这些在此重复。所述一个或多个MAC层充当用于后续生长MoS2层的种子层。MoS2层为通过热CVD在所述一个或多个MAC层上面生长的2D材料。MoS2层的热CVD生长的参数如下：MoO3+S，大气压化学气相沉积(APCVD)，750℃，20sccm Ar和10分钟生长时间。
如在图16A、16B和16C中所证明的，MoS2层在这三种不同表面(即，分别为没有MAC、MAC单层和MAC少层)上以不同方式生长。如在图16A的光学图像1600中所示，生长于SiO2上的标准MoS2形成三角形晶体1602。图16B的光学图像1610显示，使用单个MAC层作为种子层导致具有不规则形状和多层中心的MoS2晶体1612的生长。如在图16C的光学图像1620中所示，使用MAC少层作为种子层导致MoS2晶体的高密度成核。
图17A和17B显示根据实施方式的使用蓝宝石衬底生长的MoS2的扫描电子显微镜法(SEM)图像1702、1704、1710，其中图17A显示分别直接生长于蓝宝石衬底上的和在蓝宝石衬底上的MAC单层上的MoS2的SEM图像1702、1704，并且图17B显示生长于在蓝宝石衬底上的MAC单层上的MoS2的放大SEM图像1710。图18A和18B显示根据实施方式的使用蓝宝石衬底生长的MoS2的扫描电子显微镜法(SEM)图像1802、1804、1810，其中图18A显示分别直接生长于蓝宝石衬底上的和在蓝宝石衬底上的MAC少层上的MoS2的SEM图像1802、1804，并且图18B显示生长于在蓝宝石衬底上的MAC少层上的MoS2的放大SEM图像1810。
在本实施方式中，首先如关于图3的步骤302所描述的，使用LCVD方法在蓝宝石衬底上生长MAC。所述一个或多个MAC层充当用于后续生长MoS2层的种子层。前面已经关于步骤302描述了蓝宝石衬底上MAC的生长条件，并且为了简洁，未将这些在此重复。MoS2层为在所述一个或多个MAC层上面通过热CVD生长的2D材料。MoS2层的热CVD生长的参数如下：MoO3+S，大气压化学气相沉积(APCVD)，850℃，20sccm Ar，5分钟生长时间。
如在图17A、17B、18A和18B中证明的，MoS2层在这三种不同表面(即，分别为没有MAC、MAC单层和MAC少层)上以不同方式生长。如分别在图17A和18A的SEM图像1702和1802中所示，生长于蓝宝石上的标准MoS2形成三角形晶体1706、1806。图17B的SEM图像1710显示，使用单个MAC层作为种子层导致具有三角形形状的MoS2晶体1712的高密度成核。如在图18B的SEM图像1810中所示，使用MAC少层作为种子层导致具有树枝形状的MoS2晶体1812的高密度成核。
图19显示根据实施方式的生长于在SiO2衬底上的MAC单层上的硒化铟(In2Se3)的原子力显微镜法(AFM)图像1900。
首先在SiO2衬底上生长MAC或者将MAC转移到SiO2衬底上，其中MAC充当用于后续生长In2Se3的种子层。In2Se3为后续使用分子束外延(MBE)技术在MAC上生长的2D材料。在本实施方式中，在基础压力～6×10–10托的MBE腔室中生长In2Se3。从通过电子束源加热并且温度保持为150℃的坩埚蒸发超纯In2Se3粉末(99.99％)。生长期间的腔室压力为～6×10–9托。
当使用MAC单层作为种子层时，与在石墨烯上或者直接在没有MAC的SiO2衬底上生长In2Se3层相比，In2Se3层以不同的方式生长。如AFM图像1900中所示，使用MAC单层作为种子层形成的In2Se3晶体1902保持具有范围从几
Figure BDA0003931666590000191
(即，单层的厚度)至约7nm厚的厚度的三角形面片。另一方面，如果于在SiO2衬底上的石墨烯层上生长In2Se3，则所生长的In2Se3晶体将为单层厚度并且具有三角形形状。如果直接在SiO2衬底上生长In2Se3，则所生长的In2Se3晶体具有高度无序的块体(3D)结构。
本发明的替代实施方式包括：(i)种子层102包括选自如下的一种或多种的2D无定形材料的一个或多个层：无定形MoS2、无定形In2Se3、无定形过渡金属二硫属化物、无定形黑磷烯、无定形硼墨烯、无定形氮化硼；(ii)衬底104选自如下之一：Si、SiC、蓝宝石、第III-V族材料、第II-VI族材料、氧化物半导体材料、玻璃、金属和聚合物；(iii)材料层106选自2D材料或3D材料，并且2D材料和3D材料的实例是关于图14和15提供的；和(iv)材料层106可通过各种沉积技术例如LPCVD、APCVD、MOCVD、TCVD、PECVD、MBE和ALD形成。
虽然已经详细地描述了本发明的仅某些实施方式，但是根据所附权利要求，许多变型是可能的。例如，关于一个实施方式描述的特征可被并入到一个或多个其它实施方式中，反之亦然。

Claims (26)

1.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。
2.权利要求1的种子层，其中2D单层无定形材料的层包括2D单层无定形碳。
3.权利要求2的种子层，其中所述种子层在550nm-800nm的光波长处具有大于98％的光学透明度。
4.权利要求2或权利要求3的种子层，其中所述种子层在700℃的温度下是热稳定的。
5.权利要求1-4任一项的种子层，其中所述种子层进一步包括沉积在所述2D单层无定形材料的层上的2D单层无定形材料的一个或多个另外的层以形成多层结构的种子层。
6.用于形成种子层的方法，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，所述方法包括：
使用激光辅助化学气相沉积(LCVD)在衬底上生长所述种子层。
7.权利要求6的方法，其中LCVD在范围在20℃和400℃之间的温度下进行。
8.异质结构体，其包括：
衬底；和
形成于所述衬底上的种子层，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。
9.权利要求8的异质结构体，其中所述衬底包括如下之一：金属、半导体、绝缘体、玻璃、聚合物、硅、碳化硅、蓝宝石、第III-V族衬底、第II-VI族衬底、或氧化物。
10.权利要求8或权利要求9的异质结构体，其中所述衬底为结晶性衬底，所述种子层适合于屏蔽由所述结晶性衬底的结晶度所提供的效应。
11.权利要求8-10任一项的异质结构体，进一步包括形成于所述种子层上的材料层，所述材料层是通过经由范德华(vdW)相互作用将所述材料的吸附原子结合至所述种子层的表面而形成的。
12.权利要求11的异质结构体，其中所述材料层包括2D材料的一个或多个层，所述2D材料包括如下之一：石墨烯、硼墨烯、氮化硼、钙钛矿、过渡金属二硫属化物或黑磷烯。
13.权利要求11的异质结构体，其中所述材料层包括第III-V族半导体材料的一个或多个层。
14.权利要求13的异质结构体，其中所述第III-V族半导体材料包括如下之一：GaAs、GaN、AlN、InP和InN。
15.权利要求11的异质结构体，其中所述材料层包括第II-VI族半导体材料的一个或多个层。
16.权利要求15的异质结构体，其中所述第II-VI族半导体材料包括如下之一：CdTe、CdS和ZnS。
17.权利要求11的异质结构体，其中所述材料层包括氧化物的一个或多个层。
18.权利要求17的异质结构体，其中所述氧化物包括如下之一：氧化铪、氧化铝、氧化锰、钙钛矿或尖晶石。
19.权利要求8-18任一项的异质结构体，其中所述种子层包括2D单层无定形碳。
20.器件，其包括权利要求8-19任一项的异质结构体。
21.在衬底上形成材料层的方法，所述方法包括：
在所述衬底上形成种子层，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；和
通过经由范德华(vdW)相互作用将所述材料的吸附原子结合至所述种子层的表面而在所述种子层上形成所述材料层。
22.权利要求21的方法，进一步包括改变2D单层无定形材料的层的无序原子结构以调节所述材料的吸附原子和所述种子层的表面之间的vdW相互作用的强度。
23.权利要求21或权利要求22的方法，进一步包括：
在所述材料层上形成操作层；和
将所述种子层从所述衬底脱离以形成包括所述种子层和所述材料层的自支撑膜。
24.权利要求21-23任一项的方法，其中在所述衬底上形成所述种子层包括使用激光辅助化学气相沉积(LCVD)在所述衬底上生长所述种子层。
25.权利要求24的方法，其中激光辅助CVD在20℃和400℃之间的温度下进行。
26.用于增强吸附原子和种子层表面之间的范德华(vdW)相互作用以在所述种子层上形成材料层的方法，所述种子层包括二维(2D)单层的层，所述方法包括：
在所述种子层中形成无序原子结构，所述种子层的所述无序原子结构适合于产生局域电子态以形成用于经由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。
CN202180033843.XA 2020-03-10 2021-03-09 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 Pending CN115551801A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SG10202002196X 2020-03-10
SG10202002196X 2020-03-10
PCT/SG2021/050118 WO2021183050A1 (en) 2020-03-10 2021-03-09 A seed layer, a heterostructure comprising the seed layer and a method of forming a layer of material using the seed layer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115551801A true CN115551801A (zh) 2022-12-30

Family

ID=77672463

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202180033843.XA Pending CN115551801A (zh) 2020-03-10 2021-03-09 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

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20230154747A1 (zh)
EP (1) EP4118034A4 (zh)
JP (1) JP2023516485A (zh)
KR (1) KR20220167795A (zh)
CN (1) CN115551801A (zh)
WO (1) WO2021183050A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220130448A (ko) * 2021-03-18 2022-09-27 삼성전자주식회사 박막 구조체, 이를 포함하는 반도체 소자 및 박막 구조체 제조 방법

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002009242A2 (en) * 2000-07-21 2002-01-31 Motorola, Inc. Optical structure on compliant substrate
KR20020048531A (ko) * 2000-12-18 2002-06-24 박종섭 에스램 소자의 게이트 형성 방법
CN1414644A (zh) * 2001-10-26 2003-04-30 中国科学院半导体研究所 一种单/多层异质量子点结构的制作方法
US20030082833A1 (en) * 2001-10-26 2003-05-01 Motorola, Inc. Method for fabricating semiconductor structures utilizing the formation of a compliant substrate
US20060128079A1 (en) * 2004-12-10 2006-06-15 Innolux Display Corp. Method for manufacturing a thin film transistor

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104278241B (zh) * 2013-07-02 2017-10-31 中国科学院兰州化学物理研究所 一种具有多环境适应性的薄膜材料的制备技术
KR102360025B1 (ko) * 2014-10-16 2022-02-08 삼성전자주식회사 비정질 탄소원자층의 형성방법 및 비정질 탄소원자층을 포함하는 전자소자
US20170047223A1 (en) * 2015-08-13 2017-02-16 The Regents Of The University Of California Epitaxial growth of gallium arsenide on silicon using a graphene buffer layer
US10984830B2 (en) * 2017-02-24 2021-04-20 The National University Of Singapore Two dimensional amorphous carbon as overcoat for heat assisted magnetic recording media

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002009242A2 (en) * 2000-07-21 2002-01-31 Motorola, Inc. Optical structure on compliant substrate
KR20020048531A (ko) * 2000-12-18 2002-06-24 박종섭 에스램 소자의 게이트 형성 방법
CN1414644A (zh) * 2001-10-26 2003-04-30 中国科学院半导体研究所 一种单/多层异质量子点结构的制作方法
US20030082833A1 (en) * 2001-10-26 2003-05-01 Motorola, Inc. Method for fabricating semiconductor structures utilizing the formation of a compliant substrate
US20060128079A1 (en) * 2004-12-10 2006-06-15 Innolux Display Corp. Method for manufacturing a thin film transistor

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHEE-TAT TOH ET AL.: "Synthesis and properties of free-standing monolayer amorphous carbon", 《NATURE》, vol. 577, pages 200 *
WON-JAE JOO ET AL.: "Realization of continuous Zachariasen carbon monolayer", 《SCIENCE ADVANCES》, vol. 3, pages 2 - 5 *

Also Published As

Publication number Publication date
US20230154747A1 (en) 2023-05-18
JP2023516485A (ja) 2023-04-19
WO2021183050A1 (en) 2021-09-16
EP4118034A1 (en) 2023-01-18
EP4118034A4 (en) 2024-05-01
KR20220167795A (ko) 2022-12-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI477666B (zh) 具有微構造的外延結構體的製備方法
Wang et al. Graphene-assisted molecular beam epitaxy of AlN for AlGaN deep-ultraviolet light-emitting diodes
CN107534074A (zh) 在ibad织构化衬底上的外延六方材料
Vilchis et al. Cubic GaN layers grown by metalorganic chemical vapor deposition on GaN templates obtained by nitridation of GaAs
US20240153763A1 (en) Systems and methods for growth of silicon carbide over a layer comprising graphene and/or hexagonal boron nitride and related articles
KR20160123725A (ko) 대면적 단결정 2 차원 물질의 제조 방법
JP2013067549A (ja) 薄膜の形成方法
US10017878B2 (en) Growth method of graphene
EP3662505B1 (en) Mono- and multilayer silicene prepared by plasma-enhanced chemical vapor deposition
Wei et al. Monolayer MoS 2 epitaxy
CN113549898A (zh) 一种二维氮化镓膜的限域模板制备方法、制得的二维氮化镓膜
Puybaret et al. Nanoselective area growth of GaN by metalorganic vapor phase epitaxy on 4H-SiC using epitaxial graphene as a mask
CN204303857U (zh) 一种使用二维衍生膜的氮化物led外延片结构
Song et al. Recent Advances in Mechanically Transferable III‐Nitride Based on 2D Buffer Strategy
US20230154747A1 (en) A seed layer, a heterostructure comprising the seed layer and a method of forming a layer of material using the seed layer
US10727050B1 (en) Wafer-scale catalytic deposition of black phosphorus
Shin et al. Effects of different annealing atmospheres on the surface and microstructural properties of ZnO thin films grown on p-Si (1 0 0) substrates
Yu et al. First-principle calculations of adsorption of Ga (Al, N) adatoms on the graphene for the van-der-Waals epitaxy
Ren et al. Synthesis of transition metal dichalcogenide van der Waals heterostructures through chemical vapor deposition
CN114277443B (zh) 氮化物单晶薄膜及其制备方法和应用
Xu et al. Epitaxy of III-nitrides on two-dimensional materials and its applications
JP4756418B2 (ja) 単結晶窒化ガリウム基板の製造方法
Li et al. Effect of the initial thin Ti buffer layers on the quality of ZnO thin films grown on Si (111) substrates by MOCVD
Maurtua et al. Molecular Beam Epitaxy and Other Large-Scale Methods for Producing Monolayer Transition Metal Dichalcogenides
Nurfahana et al. Growth and characterization of AlN thin film deposited by sol-gel spin coating techniques

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination