Méthode de synthèse de matériaux bidimensionnels Method of synthesis of two-dimensional materials
DOMAINE DE L'INVENTION FIELD OF THE INVENTION
L'invention concerne le domaine de la synthèse de couches homogènes et sur de grandes surfaces de matériaux bidimensionnels, dits matériaux 2D, constitués d'au moins deux atomes différents, et plus particulièrement la synthèse des dichalcogénures de métaux de transition ou DCMT (Transition Métal Dichalcogenides ou TMDCs en anglais). ETAT DE LA TECHNIQUE The invention relates to the field of the synthesis of homogeneous layers and to large surfaces of two-dimensional materials, called 2D materials, made up of at least two different atoms, and more particularly the synthesis of transition metal dichalcogenides or DCMTs (Metal Transition). Dichalcogenides or TMDCs in English). STATE OF THE ART
Les matériaux bidimensionnels Mat2D ont été développés récemment. Ils présentent une structure planaire et sont composés de une à quelques monocouches L, chaque monocouche comprenant quelques plans atomiques (typiquement 1 à 5), le nombre de plans étant fonction de la structure atomique. Les liaisons chimiques à l'intérieur d'une monocouche sont covalentes. Two-dimensional Mat2D materials have been developed recently. They have a planar structure and are composed of one to a few monolayers L, each monolayer comprising some atomic planes (typically 1 to 5), the number of planes being a function of the atomic structure. The chemical bonds within a monolayer are covalent.
Un exemple bien connu de ce type de matériau sont les dichalcogénures de métaux de transition DCMT de formule chimique générale MX, MX2 ou MX3 avec M métal et X chalcogène tels que S, Te ou Se, présentant une structure 2D. A well-known example of this type of material are the DCMT transition metal dichalcogenides of general chemical formula MX, MX 2 or MX 3 with M metal and chalcogenous X such that S, Te or Se, having a 2D structure.
Par exemple : For example :
MX MX
M : Fe, Ga M: Fe, Ga
X : S, Se X: S, Se
MX : FeSe, FeS, GaSe, GaTe MX: FeSe, FeS, GaSe, GaTe
MX2 MX 2
M : Mo, W, Zr, Hf, Pt, Nb, Ta, V, Ti, Cr M: Mo, W, Zr, Hf, Pt, Nb, Ta, V, Ti, Cr
X: S, Se, Te X: S, Se, Te
MX3 MX 3
M : Ti, Zr
X: S, Se, Te M: Ti, Zr X: S, Se, Te
Par exemple il existe à ce jour environ 40 composés lamellaires MX2 distincts connus que l'on peut isoler en monocouches. For example, there are to date about 40 distinct lamellar MX 2 compounds known that can be isolated in monolayers.
La figure 1 illustre un exemple d'une monocouche (« monolayer» en anglais) L d'un matériau 2D de type MX2 comprenant 3 plans atomiques AtL, un plan d'atomes métallique M (sphères claires) pris en sandwich entre deux plans d'atomes X (sphères foncées). FIG. 1 illustrates an example of a monolayer L of a 2D MX 2 material comprising 3 atomic planes AtL, a plane of metal atoms M (clear spheres) sandwiched between two planes of atoms X (dark spheres).
La figure 2 illustre un empilement de trois monocouches L d'un matériau 2D de type DMCT MS2 (S souffre). Pour les matériaux multi-couches, les monocouches s'empilent et sont liés par des forces de van der Waals. Les propriétés électroniques des DCMT dépendent de leur formule chimique et du nombre de couches, ils peuvent être métalliques ou semiconducteurs. Il est connu que les propriétés des DCMT semiconducteurs varient selon le nombre de monocouches. Par exemple la valeur de la bande interdite dénommée GAP croît au fur et à mesure que le nombre de monocouches diminue. Le GAP est indirect pour plusieurs monocouches et peut devenir direct pour une seule monocouche FIG. 2 illustrates a stack of three monolayers L of a 2D material of DMCT type MS 2 (S suffers). For multi-layer materials, monolayers stack up and are bonded by van der Waals forces. The electronic properties of DCMTs depend on their chemical formula and the number of layers, they can be metallic or semiconductors. It is known that the properties of semiconductor DCMTs vary according to the number of monolayers. For example the value of the band gap called GAP increases as the number of monolayers decreases. GAP is indirect for several monolayers and can become direct for a single monolayer
Les matériaux semiconducteurs bidimensionnels (semi2D) ont la particularité de présenter une surface stable. Ces matériaux 2D se différencient des matériaux massifs 3D usuels pour lesquels, à la surface, les atomes présentent des liaisons chimiques non satisfaites, dénommées liaisons pendantes. De manière classique les propriétés de la surface des matériaux 2D sont différentes des propriétés de surface des matériaux massifs. Pour les matériaux 2D sans défauts cristallins déposés sur une surface plane, tous les atomes d'une monocouche sont reliés entre eux par des liaisons covalentes, il n'y a pas de liaisons pendantes à la surface. Two-dimensional semiconductor materials (semi2D) have the particularity of having a stable surface. These 2D materials are different from conventional solid 3D materials for which, on the surface, the atoms have unsatisfied chemical bonds, called pendent bonds. Conventionally, the properties of the surface of the 2D materials are different from the surface properties of the bulk materials. For 2D materials without crystalline defects deposited on a flat surface, all the atoms of a monolayer are connected to each other by covalent bonds, there are no bonds hanging on the surface.
La synthèse de ce type de matériaux a donné lieu à une abondante littérature. On distingue actuellement 4 principales méthodes de synthèse.
Une première méthode pour la synthèse de matériau 2D de type DCMT est la chalcogénation de métaux (ou d'oxydes métalliques) dans une ampoule scellée. Pour cela on dispose dans une ampoule scellée sous vide des couches ou poudres métalliques (Mo, W, Zr, Hf, Pt, Nb, Ta...) éventuellement oxydées (Mo03,...) et le chalcogène (soufre, sélénium, ou tellure). L'ampoule est disposée dans un four généralement multizone. Le chalcogène est évaporé et vient réagir avec les couches de métal éventuellement oxydées pour former un dichalcogénure de métal de transition (DCMT). The synthesis of this type of material has given rise to an abundant literature. There are currently 4 main methods of synthesis. A first method for the synthesis of DCMT type 2D material is the chalcogenation of metals (or metal oxides) in a sealed ampoule. For this purpose, it is possible to dispose in a vacuum-sealed ampoule of optionally oxidized metal layers (Mo, W, Zr, Hf, Pt, Nb, Ta, etc.) (MoO 3 ,...) And the chalcogen (sulfur, selenium). , or tellurium). The bulb is arranged in a generally multizone oven. The chalcogen is evaporated and reacts with the optionally oxidized metal layers to form a transition metal dichalcogenide (DCMT).
Une deuxième méthode consiste à réaliser un dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de dichalcogénures de métaux de transition (DCMT). A second method involves the chemical vapor deposition (CVD) of transition metal dichalcogenides (DCMTs).
Le dépôt de DCMT peut être obtenu par des techniques de transport en phase gazeuse, proches des dépôts chimiques en phase vapeur (CVD). Les principales approches, au nombre de 3, sont illustrées figure 3. The deposition of DCMT can be obtained by gas phase transport techniques, close to chemical vapor deposition (CVD). The main approaches, of which there are 3, are illustrated in Figure 3.
La figure 3a illustre la « chalcogénation » d'un dépôt métallique ou d'oxyde métallique : Cette approche, la plus simple, consiste en la sulfurisation (ou sélénisation ou encore tellurisation) de couches métalliques Prec éventuellement oxydées en surface (par exemple Mo03/Mo02). Des températures de recuit de l'ordre de 1000 °C sous atmosphère sulfurée sont nécessaires pour parachever la réduction de Mo02 (amorcée à 500 °C) et déplacer l'oxygène. FIG. 3a illustrates the "chalcogenation" of a metal deposit or metal oxide: This approach, the simplest, consists in the sulfurization (or selenization or tellurization) of metal layers Prec possibly oxidized on the surface (for example Mo0 3 / Mo0 2 ). Annealing temperatures of the order of 1000 ° C. in a sulphurised atmosphere are necessary to complete the reduction of MoO 2 (initiated at 500 ° C.) and to displace the oxygen.
La figure 3b illustre l'utilisation de deux précurseurs différents, Pred pour l'oxyde du métal (ou un précurseur volatile) et Prec2 pour le chalcogène (en général sous forme de poudre) qui sont vaporisés et transportés par un gaz neutre dans une zone plus froide du four où ils se condensent sous forme MX2. Par exemple pour le MoS2, on vaporise Mo03 et S présents dans chacun des creusets. Le Mo03 se décompose partiellement durant l'évaporation et les radicaux ainsi formés (Mo03-X) réagissent ensuite avec S sur le substrat Subst pour parachever la décomposition et générer MoS2. Figure 3b illustrates the use of two different precursors, Pred for metal oxide (or a volatile precursor) and Prec2 for chalcogen (usually in powder form) that are vaporized and transported by a neutral gas in an area. colder of the oven where they condense in MX 2 form. For example, for MoS 2 , Mo0 3 and S are vaporized in each of the crucibles. The MoO 3 decomposes partially during evaporation and the radicals thus formed (MoO 3-X ) then react with S on the substrate Subst to complete the decomposition and generate MoS 2 .
La figure 3c illustre l'utilisation d'une poudre de DCMT massif qui est évaporée/sublimée à haute température et vient se redéposer sur le substrat placé en aval (à plus basse température, « vapor-solid growth ») dans le tube
réactionnel. Par exemple MoS2 (sous forme de poudre) peut être directement évaporé à ~ 900 °C, sous faible pression (20 Torr) et se re-condenser sous forme de film sur les substrats en aval du tube dans une zone où la température est maintenue à ~ 650 °C. FIG. 3c illustrates the use of a solid DCMT powder which is evaporated / sublimed at high temperature and is redeposited on the downstream substrate (at lower temperature, "vapor-solid growth") in the tube reaction. For example MoS 2 (in powder form) can be directly evaporated at ~ 900 ° C under low pressure (20 Torr) and re-condensed as a film on substrates downstream of the tube in an area where the temperature is maintained at ~ 650 ° C.
Pour les approches (b) et (c), la croissance a tendance à progresser latéralement, car la surface des DCMT ne comporte pas de liaisons pendantes susceptibles de fixer les atomes de M ou X. Par contre, les bords de marche des clusters 2D comportent des liaisons insatisfaites, qui piègent efficacement les atomes déposés, favorisant ainsi la croissance latérale en 2D. For the approaches (b) and (c), the growth tends to progress laterally, because the surface of the DCMT does not comprise dangling bonds likely to fix the atoms of M or X. On the other hand, the edges of march of the clusters 2D have unsatisfied bonds, which effectively trap deposited atoms, thereby promoting 2D lateral growth.
Une troisième méthode consiste en une croissance CVD à partir de précurseurs métallo-organiques (croissance MOCVD). On effectue une « chalcogénation » des couches métalliques à l'aide d'un précurseur métallo- organique, par exemple (C2H5)2X. X étant le soufre, le sélénium ou le tellure. On peut également effectuer un dépôt en apportant les deux précurseurs métallo-organiques. Par exemple Mo(CO)6 pour le molybdène et W(CO)6 pour le tungstène, avec du (C2H5)2X ou avec du (CH3)2X et de l'hydrogène (X étant le soufre, le sélénium ou le tellure), tel qu'illustré figure 4a. Ces éléments se décomposent au contact du substrat. On peut aussi utiliser des gaz tels que H2S ou H2Se pour le transport du chalcogène. A third method consists of CVD growth from metallo-organic precursors (MOCVD growth). "Chalcogenation" of the metal layers is carried out using a metallo-organic precursor, for example (C 2 H 5 ) 2 X. X being sulfur, selenium or tellurium. Deposition can also be carried out by supplying the two metallo-organic precursors. For example, Mo (CO) 6 for molybdenum and W (CO) 6 for tungsten, with (C 2 H 5 ) 2 X or with (CH 3 ) 2 X and hydrogen (X being sulfur, selenium or tellurium), as shown in Figure 4a. These elements decompose in contact with the substrate. It is also possible to use gases such as H 2 S or H 2 Se for the transport of chalcogen.
Le résultat obtenu est illustré figure 4b. Il s'agit d'une multitude de microcristaux non jointifs à la surface du substrat. Ceci est dû au fait que la croissance démarre sur des centres de nucléation et tous les éléments gazeux diffusent ensuite latéralement sur la surface du substrat pour former les cristaux. Si la croissance est rapide, d'autres centres peuvent apparaître par-dessus les cristaux existants (croissance verticale) et la structure finale, localement multicouches, est inhomogène. The result obtained is illustrated in FIG. 4b. It is a multitude of non-contiguous microcrystals on the surface of the substrate. This is because growth starts on nucleation centers and all the gaseous elements then diffuse laterally onto the surface of the substrate to form the crystals. If the growth is rapid, other centers may appear over existing crystals (vertical growth) and the final structure, locally multilayer, is inhomogeneous.
Une solution pour obtenir des couches homogènes de MoS2 et WS2 avec cette méthode a été publiée 2015 dans le journal Nature par Kang (« high mobility three atom thick semiconducting films with wafer scale homogeneity » Nature, vol. 520, p. 656. Cette publication démontre, tel qu'illustré figure 5 qu'avec un temps de croissance de t0 = 26 heures la structure est homogène, avec une mobilité de porteurs dans les couches de
30 cm2V"1 s"1 à température ambiante. L'extrême lenteur de la croissance évite la croissance verticale sur les cristaux existants et privilégie la croissance latérale. Les différents cristaux coalescent et peuvent alors croître latéralement jusqu'à devenir jointifs pour un temps tO = 26 heures. A solution for obtaining homogeneous MoS 2 and WS 2 layers with this method has been published in Nature's journal by Kang in 2015 (Nature, 520, 656). This publication demonstrates, as illustrated in FIG. 5, that with a growth time of t 0 = 26 hours the structure is homogeneous, with carrier mobility in the layers of 30 cm 2 V "1 s " 1 at room temperature. The extremely slow growth avoids vertical growth on existing crystals and favors lateral growth. The different crystals coalesce and can then grow laterally until they become contiguous for a time t0 = 26 hours.
Une quatrième méthode est d'utiliser des techniques de synthèse de type ALD (« atomic layer déposition »), qui sur le plan conceptuel se prêtent bien au dépôt de matériaux d'épaisseurs très faibles. L'ALD est une technique de dépôt mise au point dans les années 1970 et qui s'apparente à la CVD de par le fait qu'elle utilise aussi des sources gazeuses. Cependant, le principe de fonctionnement est différent, et un cycle de croissance ALD (par exemple pour un matériau binaire constitué de 2 éléments) consiste en 4 étapes, à savoir : A fourth method is to use ALD ("atomic layer deposition") synthesis techniques, which conceptually lend themselves to deposition of materials of very low thickness. ALD is a deposition technique developed in the 1970s and resembles the CVD in that it also uses gaseous sources. However, the operating principle is different, and an ALD growth cycle (for example for a binary material consisting of 2 elements) consists of 4 steps, namely:
(i) injection du précurseur de l'élément 1 , (i) injection of the precursor of the element 1,
(ii) purge du réacteur avec un gaz neutre, afin d'évacuer l'excès de précurseur 1 ainsi que les produits réactionnels, (ii) purging the reactor with a neutral gas, in order to evacuate the excess of precursor 1 as well as the reaction products,
(iii) injection du précurseur de l'élément 2, suivie par (iii) injection of the precursor of element 2, followed by
(iv) une seconde purge du réacteur. (iv) a second purge of the reactor.
Il faut donc que les précurseurs soient adsorbés sur la surface et que l'adsorption soit auto limitée à une seule monocouche de précurseur de l'élément 1 étape (i) puis de l'élément 2 étape (iii). Cette monocouche est en général décomposée thermiquement (pyrolysée) de façon à délivrer l'élément que l'on cherche à déposer. L'excès de précurseur ainsi que les produits de décomposition sont évacués pendant les phases de purge du réacteur. Le dépôt ALD de MoS2 peut utiliser comme précurseur MoCI5 et H2S. It is therefore necessary that the precursors are adsorbed on the surface and that the adsorption is self limited to a single monolayer precursor element 1 step (i) and the element 2 step (iii). This monolayer is generally thermally decomposed (pyrolyzed) so as to deliver the element that is to be deposited. The excess precursor and the decomposition products are removed during the purge phases of the reactor. The ALD deposition of MoS 2 can use as precursor MoCI 5 and H 2 S.
De manière générale ces méthodes ne permettent pas d'obtenir des couches homogènes, ou alors avec un temps de croissance très long. Un but de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités en proposant une méthode de synthèse de matériaux 2D constitués d'au moins deux composés différents, méthode à la fois rapide et permettant l'obtention de couches homogènes sur de grandes surfaces.
DESCRIPTION DE L'INVENTION In general, these methods do not make it possible to obtain homogeneous layers, or else with a very long growth time. An object of the present invention is to overcome the aforementioned drawbacks by proposing a method for synthesizing 2D materials consisting of at least two different compounds, a method that is both fast and allows homogeneous layers to be obtained over large areas. DESCRIPTION OF THE INVENTION
La présente invention a pour objet un procédé de réalisation d'au moins une monocouche d'un matériau bidimensionnel, ledit matériau bidimensionnel comprenant au moins un élément M métal-et un élément X chalcogène, le procédé comprenant : The subject of the present invention is a process for producing at least one monolayer of a two-dimensional material, said two-dimensional material comprising at least one metal element M and a chalcogenic element X, the process comprising:
-une étape d'apport de l'élément M et une étape d'apport de l'élément X de manière à former, dans un substrat une zone comprenant des atomes de l'élément M et des atomes de l'élément X, a step of supplying the element M and a step of supplying the element X so as to form, in a substrate, a zone comprising atoms of the element M and atoms of the element X,
-une étape de recuit de manière à former l'au moins une monocouche (L) de matériau bidimensionnel par diffusion desdits atomes dans ledit substrat, et dans lequel chaque étape d'apport (100, 200) est réalisée par implantation ionique. Selon un mode de réalisation le matériau bidimensionnel est constitué de deux éléments, et a une formule chimique de type MX ou MX2 ou MX3 avec M métal et X chalcogène, an annealing step so as to form the at least one monolayer (L) of two-dimensional material by diffusion of said atoms in said substrate, and in which each supply step (100, 200) is carried out by ion implantation. According to one embodiment, the two-dimensional material consists of two elements, and has a chemical formula of MX or MX 2 or MX 3 type with M metal and X chalcogen,
Préférentiellement l'élément X est choisi parmi Souffre, Tellure, Sélénium. Préférentiellement l'étape de recuit s'effectue à une température comprise entre 600° et 1000°. Preferably the element X is selected from sulfur, tellurium, selenium. Preferably, the annealing step is carried out at a temperature of between 600 ° and 1000 °.
Selon un mode de réalisation l'étape de recuit est précédée par une étape d'encapsulation dudit substrat comprenant ladite zone. According to one embodiment, the annealing step is preceded by a step of encapsulating said substrate comprising said zone.
Préférentiellement le nombre total d'atomes implantés par unité de surface d'au moins un élément implanté est supérieur ou égal au produit du nombre de monocouches à réaliser par une densité atomique par unité de surface dudit élément implanté dans une monocouche dudit matériau bidimensionnel. Preferably, the total number of implanted atoms per unit area of at least one implanted element is greater than or equal to the product of the number of monolayers to be produced by an atomic density per unit area of said element implanted in a monolayer of said two-dimensional material.
Selon un mode de réalisation une température et une durée du recuit sont déterminés de sorte qu'une longueur de diffusion des atomes du ou des éléments implantés soit comprise entre 5 et 30 nm. According to one embodiment a temperature and an annealing time are determined so that a diffusion length of the atoms of the implanted element or elements is between 5 and 30 nm.
Selon un mode de réalisation l'élément X et l'élément M sont implantés sensiblement à une même profondeur dans ledit substrat.
Selon un autre mode de réalisation l'élément X est implanté à une profondeur supérieure à la profondeur d'implémentation de l'élément M dans ledit substrat. Selon un mode de réalisation le procédé comprend en outre après l'étape de recuit, une étape de dissolution sélective de la partie supérieure du substrat résiduel. According to one embodiment, the element X and the element M are implanted substantially at the same depth in said substrate. According to another embodiment, the element X is implanted at a depth greater than the depth of implementation of the element M in said substrate. According to one embodiment, the method further comprises, after the annealing step, a step of selective dissolution of the upper part of the residual substrate.
Selon un mode de réalisation le substrat est isolant et monocristallin. According to one embodiment, the substrate is insulating and monocrystalline.
Une partie du substrat non transformé en matériau bidimensionnel après recuit est dénommé substrat résiduel. Selon un mode de réalisation le procédé comprend, après l'étape de recuit, une étape de séparation de l'au moins une monocouche de matériau bidimensionnel (mat2D) du substrat résiduel et une étape de récupération de ladite au moins une monocouche de matériau bidimensionnel sur un substrat de destination. Part of the substrate not converted into a two-dimensional material after annealing is called a residual substrate. According to one embodiment, the method comprises, after the annealing step, a step of separating the at least one monolayer of two-dimensional material (mat2D) from the residual substrate and a step of recovering the at least one monolayer of two-dimensional material on a destination substrate.
Selon un autre mode de réalisation le substrat est constitué d'une couche métallique déposée sur un deuxième support, l'élément X et l'élément M étant implantés dans ladite couche métallique. According to another embodiment, the substrate consists of a metal layer deposited on a second support, the element X and the element M being implanted in said metal layer.
Une partie de la couche métallique non transformée en matériau bidimensionnel après recuit est dénommée substrat résiduel. Selon un mode de réalisation le procédé comprend, après l'étape de recuit, une étape de séparation de l'au moins une monocouche de matériau bidimensionnel du substrat résiduel et une étape de récupération de ladite au moins une monocouche de matériau bidimensionnel sur un substrat de destination. Part of the non-transformed metal layer in two-dimensional material after annealing is called residual substrate. According to one embodiment, the method comprises, after the annealing step, a step of separating the at least one monolayer of two-dimensional material from the residual substrate and a step of recovering the at least one monolayer of two-dimensional material on a substrate. of destination.
Selon un mode de réalisation l'étape de séparation comprend une sous étape de décollement dudit substrat résiduel du deuxième support à l'aide d'un laser, et une sous étape d'attaque sélective dudit substrat résiduel. According to one embodiment, the separation step comprises a sub-step of detaching said residual substrate from the second support with the aid of a laser, and a selective etching step of said residual substrate.
Selon un autre aspect l'invention concerne un dispositif comprenant au moins une monocouche de matériau bidimensionnel dénommée couche active enterrée dans un substrat chimiquement inerte, ledit matériau
bidimensionnel comprenant au moins un élément M métal et un élément X chalcogène. According to another aspect the invention relates to a device comprising at least one monolayer of two-dimensional material called active layer buried in a chemically inert substrate, said material two-dimensional array comprising at least one metal element M and a chalcogenic element X.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : Other features, objects and advantages of the present invention will appear on reading the detailed description which follows and with reference to the appended drawings given by way of non-limiting examples and in which:
La figure 1 , déjà citée, illustre un exemple d'une monocouche d'un matériau 2D de type MX2 . FIG. 1, already mentioned, illustrates an example of a monolayer of a 2D material of the MX 2 type.
La figure 2, déjà citée, illustre un empilement de trois monocouches d'un matériau 2D de type MS2 . La figure 3a, déjà citée, illustre la « chalcogénation » d'un dépôt métallique ou d'oxyde métallique: FIG. 2, already mentioned, illustrates a stack of three monolayers of a 2D material of the MS 2 type. Figure 3a, already mentioned, illustrates the "chalcogenation" of a metal deposit or metal oxide:
La figure 3b illustre l'utilisation de deux précurseurs différents pour le métal pour le chalcogène (en général sous forme de poudre) qui sont vaporisés et transportés par un gaz neutre dans une zone plus froide du four où ils se condensent sous forme MX2. Figure 3b illustrates the use of two different metal precursors for the chalcogen (usually in the form of powder) which are vaporized and transported by a neutral gas in a cooler zone of the furnace where they condense in the MX 2 form.
La figure 3c illustre l'utilisation d'une poudre de DCMT massif qui est évaporée/sublimée à haute température et vient se redéposer sur le substrat placé en aval, à plus basse température, dans le tube réactionnel. La figure 4a, déjà citée, illustre une méthode de croissance CVD à partir de précurseurs métallo-organiques (croissance MOCVD). FIG. 3c illustrates the use of a solid DCMT powder which is evaporated / sublimed at high temperature and is redeposited on the substrate placed downstream, at a lower temperature, in the reaction tube. Figure 4a, already mentioned, illustrates a CVD growth method from metallo-organic precursors (growth MOCVD).
La figure 4b illustre le matériau 2D obtenu par cette méthode, sous la forme de cristaux non jointifs. La figure 5, déjà citée, illustre le matériau 2D obtenu en fonction du temps de croissance, avec un matériau homogène obtenu pour un temps de croissance de t0 = 26 heures. Figure 4b illustrates the 2D material obtained by this method, in the form of non-joined crystals. FIG. 5, already mentioned, illustrates the 2D material obtained as a function of the growth time, with a homogeneous material obtained for a growth time of t 0 = 26 hours.
La figure 6 illustre la concentration des atomes implantés en fonction de la profondeur p, qui dépend de l'énergie des ions E, mesurée en keV.
La figure 7 illustre le procédé selon l'invention. FIG. 6 illustrates the concentration of the implanted atoms as a function of the depth p, which depends on the energy of the ions E, measured in keV. Figure 7 illustrates the process according to the invention.
La figure 7bis illustre la diffusion surfacique des atomes de métal et de chalcogène lors de l'utilisation de précurseurs gazeux selon l'état actuel de la technique. FIG. 7bis illustrates the surface diffusion of the metal and chalcogen atoms during the use of gaseous precursors according to the current state of the art.
La figure 7ter montre la croissance de couches MX2 selon l'invention. La figure 7ter-a illustre le substrat implanté et la figure 7ter-b illustre la couche de matériau 2D obtenue dans le substrat après recuit. Figure 7ter shows the growth of MX 2 layers according to the invention. Fig. 7ter-a illustrates the implanted substrate and Fig. 7ter-b illustrates the 2D material layer obtained in the substrate after annealing.
La figure 8 illustre une première option pour effectuer la double implantation, dans laquelle les énergies d'implantation des éléments X et M sont déterminées de manière à présenter leur maximum de concentration Rpx et RpM à une même profondeur. FIG. 8 illustrates a first option for performing dual implantation, in which the implantation energies of elements X and M are determined so as to present their maximum concentration Rp x and Rp M at the same depth.
La figure 9 reprend différentes manières, dans le cas d'une double implantation, de tenir compte de l'exo-diffusion de X. La figure 10 illustre les différentes étapes d'un premier mode de réalisation selon lequel le substrat au sens de l'implantation est préférentiellement monocristallin et isolant. FIG. 9 shows different ways, in the case of a double implantation, to take account of the exo-diffusion of X. FIG. 10 illustrates the different steps of a first embodiment according to which the substrate according to the invention implantation is preferentially monocrystalline and insulating.
La figure 1 1 illustre une option du procédé dans laquelle on se contente d'éliminer sélectivement la partie supérieure du substrat par dissolution sélective, pour obtenir une couche active à nu sur la partie inférieure du substrat résiduel. FIG. 11 illustrates an option of the process in which it is sufficient to selectively remove the upper part of the substrate by selective dissolution, to obtain a bare active layer on the lower part of the residual substrate.
La figure 12 illustre une autre option du procédé selon l'invention, qui comprend une étape de séparation du matériau bidimensionnel mat2D du substrat, et une étape de transfert de mat2D sur un substrat de destination. FIG. 12 illustrates another option of the method according to the invention, which comprises a step of separating the two-dimensional mat2D material from the substrate, and a step of transferring mat2D onto a destination substrate.
La figure 13 illustre un exemple de procédé de réalisation d'un dispositif électronique ou optoélectronique dans lequel on fabrique directement le
dispositif à partir de la couche active mat2D. Le dispositif obtenu en IV est un transistor. FIG. 13 illustrates an exemplary method for producing an electronic or optoelectronic device in which the device is directly manufactured. device from the mat2D active layer. The device obtained in IV is a transistor.
La figure 14 illustre les différentes étapes d'un deuxième mode de réalisation, dans lequel les éléments X et M sont implantés dans un substrat qui est une mince couche d'or. Figure 14 illustrates the different steps of a second embodiment, in which the elements X and M are implanted in a substrate which is a thin layer of gold.
La figure 15 illustre le deuxième mode de réalisation du procédé selon l'invention comprenant une étape de dépôt d'une mince couche d'or sur le deuxième support, et comprenant après l'étape de recuit, une étape de séparation du matériau bidimensionnel mat2D de la couche métallique résiduelle et une étape de transfert du matériau mat2D sur un substrat de destination. La figure 1 6 décrit un mode de réalisation du procédé décrit figure 15 dans lequel l'étape de séparation comprend une sous étape de décollement laser pour séparer la couche d'or résiduelle et Sub2, afin de rendre accessible cette couche d'or résiduelle, et une sous étape d'attaque sélective de cette couche résiduelle. FIG. 15 illustrates the second embodiment of the method according to the invention comprising a step of depositing a thin layer of gold on the second support, and comprising after the annealing step, a step of separating the two-dimensional material mat2D of the residual metal layer and a step of transferring the mat2D material to a destination substrate. FIG. 16 describes an embodiment of the process described in FIG. 15 in which the separation step comprises a laser separation sub-step for separating the residual gold layer and Sub2, in order to make this residual gold layer accessible, and a selective etching step of this residual layer.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Les inventeurs ont déduit de leur expérimentations sur la synthèse des DCMT que la non homogénéité des couches obtenues par les méthodes précédemment citées est dûe, entre autre, au fait que ces méthodes sont toutes basées sur des précurseurs gazeux qui, au contact du substrat, induisent la formation d'adsorbats qui diffusent en surface sur de « grandes » distances, supérieures ou égales à 1 micron en début de croissance, ces adsorbats libérant ensuite les atomes permettant la croissance latérale des cristaux du matériau 2D (voir plus loin figure 7bis). On constate qu'avec ce type de diffusion il existe localement des agrégats composés d'une ou de plusieurs monocouches. De plus, l'obtention d'une couche homogène est difficile voire impossible dans un temps raisonnable.
Afin d'effectuer un apport homogène des atomes et de réduire sensiblement cette longueur de diffusion latérale, la méthode de synthèse de matériaux 2D selon l'invention est basée sur une implantation ionique d'au moins un des éléments (ou atomes) composant le matériau 2D, avec un recuit de la zone comprenant les différents éléments. The inventors have deduced from their experiments on the synthesis of DCMT that the inhomogeneity of the layers obtained by the methods mentioned above is due, among other things, to the fact that these methods are all based on gaseous precursors which, in contact with the substrate, induce the formation of adsorbates which diffuse on the surface over "large" distances, greater than or equal to 1 micron at the beginning of growth, these adsorbates then releasing the atoms allowing the lateral growth of the crystals of the 2D material (see below figure 7a). It is noted that with this type of diffusion there are locally aggregates composed of one or more monolayers. In addition, obtaining a homogeneous layer is difficult or impossible in a reasonable time. In order to effect a homogeneous contribution of the atoms and to substantially reduce this lateral diffusion length, the 2D material synthesis method according to the invention is based on an ion implantation of at least one of the elements (or atoms) constituting the material. 2D, with an annealing of the zone comprising the different elements.
Pour une même température, la longueur de diffusion d'un atome préalablement implanté dans un solide est beaucoup plus faible (< 10-30 nm) que la longueur de diffusion des adsorbats générés sur un substrat à l'aide des méthodes de croissance de l'état de l'art décrites précédemment (voir plus loin). For the same temperature, the diffusion length of a previously implanted atom in a solid is much smaller (<10-30 nm) than the diffusion length of the adsorbates generated on a substrate using the growth methods of the substrate. state of the art described above (see below).
La méthode selon l'invention s'applique particulièrement à la réalisation de matériaux 2D comprenant deux types d'éléments, de formule générique AxBy : par exemple un élément M métal et un élément X chalcogène, de formule MX, MX2 ou MX3. The method according to the invention is particularly applicable to the production of 2D materials comprising two types of elements, of generic formula A x B y : for example an element M metal and a chalcogenic element X, of formula MX, MX 2 or MX 3 .
Avant de détailler l'invention, le principe de l'implantation ionique est rappelé. L'implantation ionique est un procédé d'ingénierie des matériaux. Comme son nom l'indique, il est utilisé pour implanter les ions d'un élément chimique dans un matériau solide (cible) changeant de ce fait certaines des propriétés physico-chimiques de ce solide, particulièrement en surface. L'implantation ionique est utilisée dans la fabrication des dispositifs à semi-conducteurs, pour le traitement de surface des métaux, ainsi que pour la recherche en science des matériaux. Les ions permettent à la fois de changer les propriétés physico-chimiques de la cible, mais également les propriétés structurelles car la structure cristalline de la cible peut être modifiée, voire endommagée ou même détruite (amorphisation). Before detailing the invention, the principle of ion implantation is recalled. Ion implantation is a material engineering process. As its name suggests, it is used to implant the ions of a chemical element in a solid material (target) thereby changing some of the physicochemical properties of this solid, especially at the surface. Ion implantation is used in the manufacture of semiconductor devices, for the surface treatment of metals, as well as for research in materials science. The ions allow both to change the physico-chemical properties of the target, but also the structural properties because the crystal structure of the target can be modified, damaged or even destroyed (amorphization).
Un équipement d'implantation ionique se compose en règle générale : Ion implantation equipment generally consists of:
- d'une source de production d'ions contenant l'atome à implanter (gazeuse, solide ou liquide). Typiquement un plasma est créé, et un champ électrique appliqué à la sortie de cette source permet l'extraction des ions. Ce faisceau ionique traverse ensuite un champ magnétique ou l'on sélectionne l'ion à implanter en fonction de sa masse atomique et de sa charge.
-d'un accélérateur de particules qui utilise les propriétés électrostatiques de l'ion pour augmenter son énergie, a source of ion production containing the atom to be implanted (gaseous, solid or liquid). Typically a plasma is created, and an electric field applied to the output of this source allows the extraction of ions. This ion beam then passes through a magnetic field where the ion to be implanted is selected according to its atomic mass and its charge. a particle accelerator that uses the electrostatic properties of the ion to increase its energy,
-d'une chambre pour la cible. La quantité d'atomes implantés par unité de surface, appelée la dose, est égale à l'intégrale sur le temps d'implantation du courant ionique. La dose est la quantité d'atomes incidents sur la cible par unité de surface, et s'exprime en nombre d'atomes/cm2. -of a room for the target. The amount of implanted atoms per unit area, called the dose, is equal to the integral over the ionic current implantation time. The dose is the amount of atoms incident on the target per unit area, and is expressed in number of atoms / cm 2 .
Les flux d'atomes obtenus ne permettent d'implanter qu'une faible quantité d'ions, c'est la raison principale pour laquelle cette technique n'est utilisée que dans les domaines où la modification qui est recherchée est faible ou bien superficielle. The fluxes of atoms obtained allow to implant a small amount of ions, this is the main reason why this technique is only used in areas where the modification that is sought is weak or superficial.
L'accélération des ions atteint typiquement des énergies allant de 1 à 500 keV, voire plus. Ion acceleration typically reaches energies ranging from 1 to 500 keV or more.
L'introduction de dopants dans un semi-conducteur est l'application la plus commune de l'implantation ionique. Les ions utilisés pour le dopage, tels que le bore, le phosphore ou l'arsenic, sont généralement produits à partir d'une source gazeuse, garantissant une grande pureté de la source. Lorsqu'ils sont implantés dans un semi-conducteur, chaque atome dopant crée typiquement un porteur de charge modifiant ainsi localement la conductivité du semiconducteur. The introduction of dopants into a semiconductor is the most common application of ion implantation. The ions used for doping, such as boron, phosphorus or arsenic, are generally produced from a gaseous source, guaranteeing a high purity of the source. When implanted in a semiconductor, each doping atom typically creates a charge carrier thereby locally changing the conductivity of the semiconductor.
La répartition des atomes implantés dans le matériau cible supposé amorphe (ou bien légèrement désorienté par rapport à ses directions de haute symétrie dans le cas d'un cristal) s'exprime par une concentration d'atomes par cm3 C(p), p étant la profondeur dans le matériau cible. La concentration C(p) est fonction de l'énergie des ions E, mesurée en keV, et prend typiquement la forme d'une gaussienne, illustrée figure 3, de centre Rp et de largeur à mi-hauteur FWHM (full-width at half-maximum), tous deux fonction de l'énergie E. Plus l'énergie des ions est importante, plus Rp est élevé, c'est-à-dire que les atomes pénètrent plus profondément dans le matériau cible d'épaisseur Th, et plus l'étalement FWHM est important. L'intégrale de C(p) correspond à la Dose d'atomes implantés, exprimée en nombre d'atomes/cm2.
De manière générale on dénomme profondeur de pénétration la profondeur moyenne d'implantation des atomes. Pour le cas d'une répartition gaussienne, la profondeur de pénétration correspond à Rp. Un équipement d'implantation ionique reçoit en paramètres d'entrée la dose d'atomes à implanter (en nombre d'atomes/cm2) et l'énergie des ions (en keV), et calcule alors le temps timp nécessaire à l'implantation en fonction du courant ionique qu'il est possible de générer. Les inventeurs ont remarqué que les densités atomiques des monocouches de matériaux 2D, dépendant de la dimension de la maille élémentaire et du nombre d'atome de chaque élément dans celles -ci, sont très bien adaptées à l'utilisation d'une implantation ionique. Ces densités sont typiquement de quelques 1015 atomes/cm2 par monocouche The distribution of the atoms implanted in the target material supposed to be amorphous (or slightly disoriented with respect to its directions of high symmetry in the case of a crystal) is expressed by a concentration of atoms per cm 3 C (p), p being the depth in the target material. The concentration C (p) is a function of the energy of the ions E, measured in keV, and typically takes the form of a Gaussian, illustrated in FIG. 3, of center Rp and of width at half height FWHM (full-width at half-maximum), both a function of the energy E. The higher the energy of the ions, the higher Rp is, that is to say the atoms penetrate deeper into the target material of thickness Th, and more spreading FWHM is important. The integral of C (p) corresponds to the dose of implanted atoms, expressed in number of atoms / cm 2 . In general, the depth of penetration is called the average depth of implantation of the atoms. In the case of a Gaussian distribution, the penetration depth corresponds to Rp. Ion implantation equipment receives as input parameters the dose of atoms to be implanted (in number of atoms / cm 2 ) and the energy ions (in keV), and then calculates the timp time required for the implantation as a function of the ionic current that can be generated. The inventors have noted that the atomic densities of the monolayers of 2D materials, depending on the size of the elementary mesh and the number of atoms of each element in these, are very well adapted to the use of ion implantation. These densities are typically a few 10 15 atoms / cm 2 per monolayer
La méthode selon l'invention, schématisée figure 7 est un procédé de réalisation d'au moins une monocouche L d'un matériau bidimensionnel mat2D comprenant au moins un élément M et un élément X respectivement un chalcogène. The method according to the invention, shown schematically in FIG. 7, is a method for producing at least one monolayer L of a two-dimensional material mat2D comprising at least one element M and one element X respectively a chalcogen.
Le procédé est particulièrement adapté pour la réalisation de matériaux DCMT de formule chimique de type MX ou MX2 ou MX3 avec M métal et X chalcogène. The process is particularly suitable for producing DCMT materials of chemical formula of MX or MX 2 or MX 3 type with M metal and X chalcogen.
Préférentiellement l'élément X est choisi parmi le Souffre S, le Tellure T, et le Sélénium Se. Preferably, the element X is chosen from the sulfur S, the tellurium T and the selenium Se.
Le procédé 10 selon l'invention comprend une étape 100 d'apport de l'élément M et une étape 200 d'apport de l'élément X de manière à former, dans un substrat, une zone Z[M+X] comprenant des atomes de l'élément M et des atomes de l'élément X. Dans le procédé selon l'invention, chaque étape d'apport est réalisée par implantation ionique. The method 10 according to the invention comprises a step 100 of adding the element M and a step 200 of adding the element X so as to form, in a substrate, a zone Z [M + X] comprising atoms of the element M and the atoms of the element X. In the process according to the invention, each addition step is carried out by ion implantation.
Puis une étape de recuit 300 permet de former l'au moins une monocouche L de matériau bidimensionnel mat2D par diffusion des dits atomes dans le substrat. Then annealing step 300 makes it possible to form the at least one monolayer L of two-dimensional material mat2D by diffusion of said atoms in the substrate.
Typiquement le matériau bidimensionnel mat2D réalisé par le procédé selon l'invention est constitué de une à quelques monocouches (voir quelques
dizaines) L, et est dénommé couche active. La couche active mat2D peut être utilisée pour la réalisation de composants ou dispositifs en électronique ou optoélectronique. Typically, the two-dimensional mat2D material produced by the process according to the invention consists of one to a few monolayers (see tens) L, and is called active layer. The mat2D active layer can be used for producing electronic or optoelectronic components or devices.
Lors de la co-implantation d'éléments M et X dans un substrat chimiquement inerte. On appelle substrat chimiquement inerte un substrat dont les éléments le constituant ne forment pas de composés parasites avec les éléments M ou X du matériau 2D lors du recuit. During the co-implantation of M and X elements in a chemically inert substrate. A substrate whose constituent elements do not form parasitic compounds with the elements M or X of the 2D material during annealing is called a chemically inert substrate.
Pour la formation d'un composé de type MX, MX2, MX3 , les éléments X et M forment dans le substrat une structure désordonnée hors équilibre thermodynamique après implantation ionique,. Si l'on pratique un recuit postimplantation à suffisamment haute température, les atomes X vont avoir tendance à se combiner aux atomes de M, afin d'abaisser l'énergie totale du système et d'arriver à l'équilibre thermodynamique. On observe donc une cristallisation du composé MX2,(ou MX ou MX3) cristallisation qui démarre là où il y a le plus d'atomes, c'est-à-dire dans la région correspondant au maximum de la gaussienne d'implantation de M. Lors du recuit les atomes de X qui sont étalés en profondeur selon un profil gaussien diffusent donc vers le pic pour participer à la formation du composé MX2 et faire évoluer le système vers un état d'équilibre thermodynamique. For the formation of a compound of the MX, MX 2 , MX 3 type , the elements X and M form in the substrate a disordered structure out of thermodynamic equilibrium after ion implantation. If a post-implantation annealing is performed at a sufficiently high temperature, the X atoms will tend to combine with the M atoms, in order to lower the total energy of the system and to reach thermodynamic equilibrium. A crystallization of the MX 2 (or MX or MX 3 ) crystallization compound is thus observed, which starts where there are the most atoms, ie in the region corresponding to the maximum of the implantation Gaussian. During annealing, the X atoms which are spread out in depth according to a Gaussian profile diffuse towards the peak to participate in the formation of the compound MX 2 and make the system evolve towards a state of thermodynamic equilibrium.
La couche active ainsi réalisé, constituée d'une ou de plusieurs monocouches de matériau bidimensionnel selon la dose implantée, est homogène et cristalline. The active layer thus formed, consisting of one or more monolayers of two-dimensional material according to the implanted dose, is homogeneous and crystalline.
Dans le cas d'une implantation de M et X dans un métal, par exemple l'or, les longueurs de diffusion des atomes M et X sont plus importantes et ces éléments ont tendance à diffuser à la surface de la couche d'or. In the case of an implantation of M and X in a metal, for example gold, the diffusion lengths of the M and X atoms are greater and these elements tend to diffuse on the surface of the gold layer.
Ainsi, une fois la zone Z[M+X] comprenant des atomes X et M constituée dans un substrat Sub, le recuit est effectué dans des conditions appropriées, correspondant principalement à une température, une atmosphère et une durée adaptées. Préférentiellement pour obtenir une meilleure qualité cristalline le recuit s'effectue à « haute » température, typiquement entre 600°C et 1000°C.
Selon un mode de réalisation le recuit s'effectue sous vide ou sous gaz neutre. Thus, once the zone Z [M + X] comprising X and M atoms constituted in a substrate Sub, the annealing is carried out under appropriate conditions, mainly corresponding to a suitable temperature, atmosphere and duration. Preferably, in order to obtain a better crystalline quality, the annealing is carried out at "high" temperature, typically between 600 ° C. and 1000 ° C. According to one embodiment, the annealing is carried out under vacuum or under neutral gas.
Mais l'élément X à tendance à exo-diffuser, c'est-à-dire à quitter le substrat lors du recuit vers l'atmosphère du four. Cette exo-diffusion est d'autant plus marquée que la zone Z[M+X] est plus proche de la surface. Pour limiter cette exo-diffusion selon un mode de réalisation le recuit s'effectue sous pression de vapeur de l'élément X. Selon un autre mode de réalisation le recuit est réalisé par illumination de la zone Z[M+X] avec un laser puisé qui permet d'obtenir des températures de recuit élevées (pour une meilleure cristallisation) et une très faible durée de recuit (pour limiter l'exo-diffusion des atomes X). On peut utiliser un laser à excimère (par exemple XeCI pour une longueur d'onde 308 nm) ou un laser état solide (par exemple un laser Nd:YAG doublé ou triplé en fréquence) avec des impulsions de durée qq ns à quelques dizaines de ns. La fluence utilisée est de 0,1 à 1 Joule par cm2 avec l'utilisation de 1 à 10 impulsions. On notera que même si la durée de recuit est généralement très supérieure (1 à qq με) à la durée de l'impulsion laser, les durées de recuit sont très inférieures aux durées de recuit dans un four (minimum 1 minute pour un four de recuit rapide). Ce type de recuit peut être réalisé sous pression de vapeur de X. But the X element tends to exo-diffuse, that is to say to leave the substrate during annealing to the furnace atmosphere. This exo-diffusion is all the more marked as the zone Z [M + X] is closer to the surface. To limit this exo-diffusion according to one embodiment the annealing is carried out under steam pressure of the element X. According to another embodiment, the annealing is carried out by illumination of the zone Z [M + X] with a laser pulsed which allows to obtain high annealing temperatures (for better crystallization) and a very short annealing time (to limit the exo-diffusion of X atoms). It is possible to use an excimer laser (for example XeCI for a wavelength of 308 nm) or a solid state laser (for example a frequency-doubled or tripled Nd: YAG laser) with pulses lasting for a few dozen hours. ns. The fluence used is 0.1 to 1 Joule per cm 2 with the use of 1 to 10 pulses. It will be noted that even if the annealing time is generally much greater (1 to qq με) than the duration of the laser pulse, the annealing times are much shorter than the annealing times in a furnace (minimum 1 minute for a furnace). fast annealing). This type of annealing can be performed under X vapor pressure.
Pour éviter l'exo-diffusion, selon un autre mode de réalisation l'étape de recuit du procédé 10 selon l'invention est précédée par d'une étape d'encapsulation du substrat comprenant la zone Z avec un matériau stable à haute température qui est soit un diélectrique chimiquement inerte tel que SiO2, AI2O3, HfO2, Si3N4..., soit une couche mince de matériau X. To avoid exo-diffusion, according to another embodiment, the annealing step of the process according to the invention is preceded by a step of encapsulation of the substrate comprising the zone Z with a stable material at high temperature which is either a chemically inert dielectric such as SiO 2 , Al 2 O 3, HfO 2 , Si 3 N 4 ..., or a thin layer of material X.
Avec l'encapsulation, l'étape de recuit peut s'effectuer sous atmosphère neutre. With encapsulation, the annealing step can be carried out under a neutral atmosphere.
Le procédé selon l'invention permet, du fait de l'utilisation d'étapes d'implantation ionique, de réaliser une couche active de matériau bidimensionnel homogène sur de grandes surfaces.
Avec l'utilisation de précurseurs gazeux selon l'état actuel de la technique les molécules qui arrivent sur la surface diffusent latéralement sur cette dernière jusqu'à rencontrer un germe de cristal, interagissent avec lui et contribuent à le faire croître. Les adsorbats parcourent typiquement plusieurs microns en début de croissance et la nucléation est aléatoire, ce qui a pour conséquence la création de couches empilées, conduisant à des dépôts inhomogènes (mélange de zones constituées de monocouches et multicouches) tel qu'illustré figure 7bis. Avec ces techniques, le flux des atomes/molécules impactant le substrat est homogène mais leur diffusion surfacique sur de grandes distances (jusqu'à quelques dizaines de microns) combinée à la nucléation aléatoire, induisent la croissance de zones monocouche et multicouches. A titre d'exemple la fig. 7bis montre la nucléation d'une deuxième monocouche L2 de MX2 par-dessus la première monocouche L1 , et également la présence de zones sans aucune monocouche. The process according to the invention makes it possible, because of the use of ion implantation steps, to produce an active layer of homogeneous two-dimensional material over large areas. With the use of gaseous precursors according to the state of the art molecules that arrive on the surface diffuse laterally on the latter to meet a crystal germ, interact with it and help to grow it. The adsorbates typically travel several microns at the beginning of growth and the nucleation is random, which results in the creation of stacked layers, leading to inhomogeneous deposits (mixture of areas consisting of monolayers and multilayers) as shown in Figure 7bis. With these techniques, the flow of atoms / molecules impacting the substrate is homogeneous but their surface diffusion over large distances (up to a few tens of microns) combined with random nucleation, induce the growth of monolayer and multilayer zones. By way of example, FIG. 7a shows the nucleation of a second L2 monolayer of MX 2 over the first monolayer L1, and also the presence of zones without any monolayer.
Pour pallier cette difficulté, l'homme de l'art utilise des procédés de croissance extrêmement lents (par exemple 26 heures pour une monocouche) qui permettent d'obtenir une croissance homogène. Un tel procédé est beaucoup trop long pour être industrialisé. To overcome this difficulty, those skilled in the art use extremely slow growth processes (for example 26 hours for a monolayer) which make it possible to obtain homogeneous growth. Such a process is much too long to be industrialized.
Cet exemple montre un flux d'atomes M et X mais peut être généralisé. La technique d'épitaxie par jet moléculaire (EJM ou MBE en anglais) utilise généralement un flux d'atomes M et de molécules X2, X4,...X étant un chalcogène. La formation de X2 est favorisée par un craquage des molécules à haute température (par exemple 900°C). This example shows a flow of atoms M and X but can be generalized. The technique of molecular beam epitaxy (MBE or MBE) generally uses a flow of M atoms and molecules X 2 , X 4 , ... X being a chalcogen. The formation of X 2 is favored by cracking the molecules at high temperature (for example 900 ° C.).
La CVD utilise un flux de molécules gazeuses qui se dissocient au contact de la surface, formant un composé intermédiaire diffusant sur la surface puis libérant les atomes de M et X au niveau du germe cristallin MX2. CVD uses a stream of gaseous molecules that dissociate in contact with the surface, forming an intermediate compound diffusing on the surface and then releasing the M and X atoms in the crystal seed MX 2 .
La figure 7ter montre la croissance de couches MX2 selon l'invention. Figure 7ter shows the growth of MX 2 layers according to the invention.
Avec le procédé selon l'invention les atomes implantés dans la zone Z[M+X] sont présents dans cette zone de manière très homogène sur une grande surface. En outre ils ne sont pas localisés à la surface mais dans le substrat et n'ont pas besoin de se déplacer sur de grandes distances pour précipiter sous la forme MX2 (ou MX, ouMX3) tel qu'illustré figure 7ter-a. With the process according to the invention, the atoms implanted in the zone Z [M + X] are present in this zone in a very homogeneous manner over a large area. In addition they are not located on the surface but in the substrate and do not need to travel over long distances to precipitate in the form MX 2 (or MX, or MX 3 ) as shown in Figure 7ter-a.
La longueur de diffusion des atomes implantés lors du recuit doit être supérieure ou égale à la distance entre la position de l'atome implanté et la
position de l'atome dans la/les monocouches cristallisées. Cette distance est au maximum égale à la distance que doit parcourir un atome implanté localisé à l'extrémité de la gaussienne pour rejoindre l'endroit où démarre la cristallisation (typiquement le pic d'implantation). The diffusion length of the atoms implanted during the annealing must be greater than or equal to the distance between the position of the implanted atom and the position of the atom in the crystallized monolayer. This distance is at most equal to the distance traveled by an implanted atom located at the end of the Gaussian to reach the place where the crystallization starts (typically the peak implantation).
Une longueur de diffusion très supérieure à cette distance n'est pas souhaitable, et donc préférentiellement on cherche à obtenir une longueur de diffusion sensiblement égale à cette distance maximum de parcours, qui correspond typiquement à quelques largeurs de gaussienne à mi-hauteur FWHM. Par exemple 99,7% des atomes implantés le sont sur une distance 2,55xFWHM. La distance maximum que doivent parcourir les atomes implantés afin d'intégrer la zone cristalline MX2 est donc de l'ordre de 3xFWHM. A diffusion length much greater than this distance is undesirable, and therefore it is preferable to obtain a diffusion length substantially equal to this maximum path distance, which typically corresponds to a few Gaussian widths at half height FWHM. For example, 99.7% of the implanted atoms are at a distance of 2.55xFWHM. The maximum distance that must traverse the implanted atoms in order to integrate the crystalline zone MX 2 is therefore of the order of 3xFWHM.
L'utilisation d'un recuit (choix température et durée de recuit) autorisant des longueurs de diffusion de sensiblement 3xFWHM favorise ainsi la croissance de zones cristallines monocouche (le nombre de monocouches est fonction de la dose implantée) au cours du recuit. Le résultat obtenu après le recuit est illustré figure 7ter-b pour le cas d'une dose correspondant à une monocouche L. The use of annealing (choice of temperature and annealing time) allowing diffusion lengths of substantially 3xFWHM thus promotes the growth of monolayer crystalline zones (the number of monolayers is a function of the implanted dose) during the annealing. The result obtained after annealing is illustrated in FIG. 7ter-b for the case of a dose corresponding to an L monolayer.
Préférentiellement on choisit des paramètres d'implantation ionique permettant d'obtenir une valeur de FWHM de 2-3 nm. Par conséquent la longueur de diffusion nécessaire à la cristallisation de couches MX2 est de 5- 30 nm. Preferentially, ion implantation parameters are chosen which make it possible to obtain a FWHM value of 2-3 nm. Therefore the diffusion length necessary for the crystallization of MX 2 layers is 5-30 nm.
Les paramètres du recuit sont choisis par rapport à l'élément (X ou M) présentant la plus grande valeur de FWHM. The annealing parameters are chosen with respect to the element (X or M) having the greatest value of FWHM.
Ainsi avec une distance de diffusion des atomes implantés lors du recuit typiquement de l'ordre de quelques nm à 30 nm, (obtenue en maîtrisant les paramètres du recuit tels que température, atmosphère et durée), les atomes effectuent un faible déplacement comparé aux longueurs de diffusion observée pour les méthodes de croissance de l'homme de l'art (jusqu'à qq dizaines de microns). On évite ainsi empilements locaux et trous dans la couche MX2. L'utilisation de l'implantation ionique et d'un recuit adapté favorise donc la cristallisation de couches MX2 homogènes. Thus, with a diffusion distance of the atoms implanted during the annealing, typically of the order of a few nm to 30 nm (obtained by controlling the annealing parameters such as temperature, atmosphere and duration), the atoms perform a slight displacement compared to the lengths. diffusion observed for the growth methods of those skilled in the art (up to several tens of microns). This avoids local stacks and holes in the MX 2 layer. The use of ion implantation and suitable annealing thus favors the crystallization of homogeneous MX 2 layers.
On a vu que l'implantation ionique permet de maîtriser avec une grande précision la dose d'atomes implantés (typiquement 1 .5% avec la règle des
3σ). L'implantation d'un nombre précis d'atomes dans le substrat permet d'obtenir de façon prédictive et déterministe après le recuit une ou plusieurs monocouches cristallines de mat2D de manière maîtrisée, car le nombre d'atomes présents dans la zone Z[M+X] est sensiblement le bon nombre pour former le nombre correspondant de monocouches souhaitées. We have seen that the ion implantation allows to control with a great precision the dose of implanted atoms (typically 1 .5% with the rule of the 3σ). The implantation of a precise number of atoms in the substrate makes it possible to obtain in a predictive and deterministic manner after annealing one or more crystalline monolayers of mat2D in a controlled manner, because the number of atoms present in the zone Z [M + X] is substantially the number to form the corresponding number of desired monolayers.
Les densités atomiques par unité de surface des éléments M et X pour une monocouche de matériau 2D sont typiquement de l'ordre de un à quelques 1015 atomes/cm2. Cet ordre de grandeur est bien adapté aux doses d'atomes accessibles par implantation ionique. The atomic density per unit area of the elements M and X for a 2D monolayer of material are typically of the order of a few 10 15 atoms / cm 2. This order of magnitude is well adapted to the doses of atoms accessible by ion implantation.
On dénomme D0X la densité atomique par unité de surface de l'élément X dans une monocouche de matériau mat2D et D0M la densité atomique par unité de surface de l'élément M dans une monocouche de matériau mat2D. Pour obtenir le bon nombre d'atomes implantés, avantageusement le nombre total d'atomes implantés par unité de surface DX et/ou DM, correspondant à la dose telle que définie plus haut, est supérieure ou égale au produit du nombre de monocouches n à réaliser par la densité atomique par unité de surface de l'élément implanté dans une monocouche du matériau bidimensionnel. D 0 X is the atomic density per unit area of the element X in a monolayer of mat2D material and D 0 M the atomic density per unit area of the element M in a monolayer of mat2D material. To obtain the right number of implanted atoms, advantageously the total number of implanted atoms per unit area of DX and / or DM, corresponding to the dose as defined above, is greater than or equal to the product of the number of monolayers n to achieve by the atomic density per unit area of the implanted element in a monolayer of the two-dimensional material.
Lorsque X est implanté on a donc DX > n.D0X When X is implanted, then we have DX> nD 0 X
Il a été vu plus haut que X a tendance à exo-diffuser. Pour compenser cette exo-diffusion on implante typiquement DX tel que : It has been seen above that X tends to exo-diffuse. To compensate for this exo-diffusion, DX is typically implanted such that:
n.D0X + 10 % ≤ DX < n.D0X + 100 % nD 0 X + 10% ≤ DX <nD 0 X + 100%
Lorsque M est implanté on a DM > n.D0M et on implante DM tel que : When M is implanted, we have DM> nD 0 M and we implement DM such that:
n.D0M < DM < n.D0M + 5% nD 0 M <DM <nD 0 M + 5%
Les atomes M n'exo-diffusant pas comme les atomes X, la dose de M à implanter est proche du nombre final atomes M dans le matériau mat2D. Since the M atoms do not diffuse like the X atoms, the dose of M to be implanted is close to the final number of M atoms in the mat2D material.
La densité atomique par unité de surface D0X de l'élément X dans une monocouche du matériau bidimensionnel est égale à : The atomic density per unit area D 0 X of the element X in a monolayer of the two-dimensional material is equal to:
D0X= k D0M,
(D0M densité atomique par unité de surface de l'élément M dans une monocouche du matériau mat2D) D 0 X = k D 0 M, (D 0 M atomic density per unit area of element M in a monolayer of mat2D material)
Avec k facteur stœchiométrique égal au nombre d'atomes de X pour un atome de M dans une maille élémentaire Mael2D du matériau bidimensionnel. Par exemple pour le MoS2 la maille élémentaire comprend D0Mo =1 .1 6 x1015 atomes/cm2 de molybdène Mo, et donc 2 fois plus soit 2.32 x 1 015 atomes /cm2 de souffre S (k=2). With k stoichiometric factor equal to the number of atoms of X for an atom of M in an elemental mesh Mael 2 D of two-dimensional material. For example, for MoS 2, the unit cell comprises D 0 Mo = 1.16 x 10 15 atoms / cm 2 of molybdenum Mo, and therefore 2 times more, ie 2.32 x 1 0 15 atoms / cm 2 of sulfur S (k = 2 ).
Pour MoS2: D0S = 2.D0Mo = 2.32 x 1015 atomes /cm2 For MoS 2 : D 0 S = 2.D 0 Mo = 2.32 x 10 15 atoms / cm 2
Si on souhaite réaliser 3 couches de MoS2, on a donc If we want to make 3 layers of MoS 2 , we have
3DoS= 3 x 2.32 x 1015 = 6.96 x 1015 atomes /cm2. 3DoS = 3 x 2.32 x 10 15 = 6.96 x 10 15 atoms / cm 2 .
Il faut donc implanter une dose de souffre DS supérieure ou égale à cette valeur. It is therefore necessary to implant a dose of DS sulfur greater than or equal to this value.
Pour mettre en œuvre le procédé selon l'invention, il convient de choisir d'abord l'énergie d'implantation Ex et EM en fonction de la profondeur de pénétration souhaitée, elle-même fonction de l'application ciblée. Puis dans un deuxième temps on détermine les paramètres du recuit, principalement température T et durée t de manière à ce que la diffusion s'opère dans de bonnes conditions. To implement the method according to the invention, it is first necessary to choose the implantation energy E x and E M as a function of the desired depth of penetration, itself a function of the targeted application. Then, in a second step, the annealing parameters are determined, mainly temperature T and time t, so that the diffusion takes place under good conditions.
Soit DT le coefficient de diffusion d'atomes à une température T. La longueur de diffusion Ld des atomes lors du recuit est approximativement donnée par la formule : Let D T be the diffusion coefficient of atoms at a temperature T. The diffusion length Ld of the atoms during annealing is approximately given by the formula:
Ld = (DT . t)½ avec t durée du recuit. Ld = (D T ) t ½ with annealing time.
On détermine T et t de sorte que lors du recuit (voir ci-dessus) : T and t are determined so that during annealing (see above):
Ld ~3xFWHM. Ld ~ 3xFWHM.
avec FWHM étant la largeur à mi hauteur de la concentration de l'élément implanté en fonction de la profondeur. with FWHM being the width at half height of the concentration of the implanted element as a function of the depth.
On détermine T et t de sorte que Ldx et LdM soient faibles tout en respectant Ldx > 3xFWHMx et LdM≥ 3xFWHMM. T and t are determined so that Ld x and Ld M are small while respecting Ld x > 3xFWHM x and Ld M ≥ 3xFWHM M.
En outre il convient de limiter la température et la durée de recuit de façon à permettre aux atomes M et X de réagir entre eux et de former le composé MXn voulu tout en évitant l'exo-diffusion. Il existe également d'autres options pour limiter l'exo-diffusion (voir plus loin figure xx).
Une fois la diffusion effectuée et le matériau mat2D constitué, on dénomme Subr le substrat résiduel dans ou sur lequel mat2D est constitué. Pour certaines applications selon un mode de réalisation le procédé selon l'invention comprend, après l'étape de recuit, une étape de séparation de l'au moins une monocouche de matériau bidimensionnel mat2D du substrat résiduel Subr et une étape de transfert de mat2D sur un substrat de destination Subd. In addition it is necessary to limit the temperature and the annealing time so as to allow the M and X atoms to react with each other and form the desired MXn compound while avoiding exo-diffusion. There are also other options to limit the exo-diffusion (see further figure xx). Once the diffusion has been carried out and the mat2D material formed, the Sub r is the residual substrate in or on which mat2D is constituted. For certain applications according to one embodiment, the method according to the invention comprises, after the annealing step, a step of separating the at least one monolayer of mat2D two-dimensional material from the residual substrate Sub r and a step of transfer of mat2D on a Subd destination substrate.
Lorsque la couche mat2D est localisée en profondeur dans le substrat, on entend par séparation soit la séparation de mat2D de la partie supérieure du substrat résiduel, soit de la partie inférieure du substrat résiduel, soit des deux parties inférieures et supérieures du substrat résiduel, en fonction de la méthode de séparation employée. Des exemples sont donnés plus loin. When the mat2D layer is located deep in the substrate, separation is understood to mean either the separation of mat2D from the upper part of the residual substrate, or from the lower part of the residual substrate, or from the two lower and upper portions of the residual substrate, in depending on the separation method used. Examples are given below.
Préférentiellement le substrat dans lequel a lieu l'implantation est monocristallin. La formation du matériau 2D après implantation ionique du ou des éléments dans le substrat (qui peut être une couche mince) requiert un recuit à haute température afin d'activer la diffusion de l'espèce (ou des espèces) implantées. De façon à former une couche uniforme de matériau 2D à l'intérieur du substrat (de la couche mince le cas échéant), il faut des coefficients de diffusion bien définis (pour la ou les espèces implantées). Or dans une couche mince ou dans un substrat polyc stallin, il existe des joints de grains, qui court-circuitent la diffusion classique, conduisant à des concentrations non homogènes des espèces implantées. En d'autres termes, lorsqu'un germe critique du matériau 2D a été formé, ce dernier a tendance à « pomper » les constituants (M et X ou B et N) nécessaires à sa croissance (et ce, en utilisant la diffusion le long des joints de grains), ce qui déséquilibre l'uniformité de concentration des espèces implantées et conduit à la formation de précipités (non jointifs) du matériau 2D. Il est donc plus difficile d'obtenir une couche implantée d'épaisseur uniforme après recuit si l'on est en présence d'une couche mince ou d'un substrat polycristallin. Preferably, the substrate in which the implantation takes place is monocrystalline. Formation of the 2D material after ion implantation of the element (s) into the substrate (which may be a thin layer) requires high temperature annealing to activate diffusion of the implanted species (or species). In order to form a uniform layer of 2D material within the substrate (of the thin layer if appropriate), well-defined diffusion coefficients (for the implanted species) are required. Gold in a thin layer or in a polyc stallin substrate, there are grain boundaries, which bypass the conventional diffusion, leading to inhomogeneous concentrations of implanted species. In other words, when a critical seed of the 2D material has been formed, the latter tends to "pump" the constituents (M and X or B and N) necessary for its growth (and this, using the diffusion the along the grain boundaries), which imbalances the concentration uniformity of the implanted species and leads to the formation of (non-contiguous) precipitates of the 2D material. It is therefore more difficult to obtain an implanted layer of uniform thickness after annealing if one is in the presence of a thin layer or a polycrystalline substrate.
Selon une première option pour effectuer la double implantation, l'énergie EM d'implantation de l'élément M et l'énergie Ex d'implantation de l'élément X sont déterminées de manière à présenter respectivement un maximum RpM
et Rpx de concentration CM(p) et Cx(p) sensiblement égaux à la profondeur p0, tel qu'illustré figure 8. According to a first option for performing double implantation, the energy E M for implanting the element M and the energy E x for implanting the element X are determined so as to present respectively a maximum R pM and R p x concentration C M (p) and C x (p) substantially equal to the depth p 0, as illustrated in Figure 8.
Pour limiter le phénomène d'exodiffusion de X, selon une deuxième option l'élément X est implanté à une profondeur supérieure à la profondeur d'implémentation de l'élément M dans le substrat Sub (voir figure 9c). Rappelons que la profondeur est fonction de l'énergie d'implantation. La zone Z[M+X] est ici constituée d'atomes de X et M spatialement séparés avant le recuit. To limit the exodiffusion phenomenon of X, according to a second option, the element X is implanted at a depth greater than the depth of implementation of the element M in the Sub substrate (see FIG. 9c). Remember that the depth is a function of the implantation energy. Zone Z [M + X] here consists of atoms of X and M spatially separated before annealing.
La figure 9 reprend différentes manières, dans le cas d'une double implantation, de tenir compte de l'exo-diffusion de X. Le noir correspond à l'élément X et le gris foncé à l'élément M. La figure 9a illustre le recuit sous vapeur de X, la figure 9b illustre l'augmentation de la dose de X, la figure 9c illustre l'implantation à une profondeur différente de X et M (X plus profond), la figure 9d illustre l'encapsulation (avant recuit) avec une fine couche de X et la figure 9e l'encapsulation avec un « top substrat » . FIG. 9 shows different ways, in the case of a double implantation, to take into account the exo-diffusion of X. The black corresponds to the element X and the dark gray to the element M. FIG. X-ray annealing, Figure 9b illustrates the X dose increase, Figure 9c illustrates the implantation at a different depth of X and M (X deeper), Figure 9d illustrates the encapsulation (before annealed) with a thin layer of X and FIG. 9e encapsulation with a "top substrate".
La figure 10 illustre les différentes étapes d'un premier mode de réalisation selon lequel le substrat Sub (substrat au sens de l'implantation), est isolant et préférentiellement monocristallin. Le substrat Sub est typiquement choisi parmi Al203, MgO, .Quartz,... FIG. 10 illustrates the different steps of a first embodiment in which the Sub substrate (substrate in the sense of implantation) is insulating and preferably monocrystalline. Sub substrate is typically selected from Al 2 0 3 , MgO, .Quartz, ...
Selon une option illustrée figure 10 le substrat Sub est une couche épitaxiée sur un substrat SubO. According to an option illustrated in FIG. 10, the substrate Sub is a layer epitaxied on a SubO substrate.
De manière générale le substrat d'implantation Sub est un matériau pour lequel les atomes M présentent une faible solubilité et qui ne forme pas de composés avec X stables à haute température (600-1000°C). In general, the Sub implantation substrate is a material for which the M atoms have a low solubility and which do not form compounds with X stable at high temperature (600-1000 ° C.).
Sur la figure 10a à l'étape 100 des atomes de M sont implantés dans Sub à une profondeur moyenne pO. Sur la figure 10b à l'étape 200 des atomes de X sont implantés dans le substrat Sub sensiblement à la même profondeur p0. On a vu que DX est supérieur à n.D0X, n étant le nombre de monocouches souhaitées. On a DM, dose d'ions M à implanter, légèrement supérieur ou égal à n.D0M. En effet, les atomes M n'ayant pas tendance à exo-diffuser
comme les atomes X, la dose DM à implanter est préférentiellement égale ou très légèrement supérieure à n.D0M (voir plus haut). In FIG. 10a at step 100, M atoms are implanted in Sub at a mean depth p0. In Fig. 10b at step 200 X atoms are implanted in the Sub substrate at substantially the same depth p 0 . We have seen that DX is greater than nD 0 X, where n is the number of monolayers desired. We have DM, dose of M ions to implant, slightly greater than or equal to nD 0 M. Indeed, the M atoms do not tend to exo-diffuse like the X atoms, the DM dose to be implanted is preferably equal to or slightly greater than nD 0 M (see above).
Les doses respectives d'ions M DM et d'ions X DX sont déterminées de manière à respecter la stœchiométrie de la maille élémentaire du matériau mat2D et le nombre de couche n désiré. L'ordre d'implantation entre X et M est indifférent. The respective doses of M DM ions and X DX ions are determined so as to respect the stoichiometry of the elemental mesh of mat2D material and the desired number of layers n. The order of implantation between X and M is indifferent.
Une zone Z[M+X] présentant des atomes X et des atomes M implantés est créée au voisinage de la profondeur p0 dans le substrat Sub. An area Z [M + X] having X atoms and implanted M atoms is created in the vicinity of the depth p 0 in the Sub substrate.
Après l'étape de recuit 300 illustrée figure 10c une couche active mat2D est obtenue. After the annealing step 300 illustrated in FIG. 10c, an active mat2D layer is obtained.
Ce premier mode de réalisation présente l'avantage que la couche active est enterrée dans le substrat Sub et protégée de l'air ambiant (la couche est passivée). De plus lors du recuit, il y aura moins d'exo-diffusion des atomes X, et une couche d'encapsulation peut devenir inutile. This first embodiment has the advantage that the active layer is buried in the substrate Sub and protected from the ambient air (the layer is passivated). Moreover during the annealing, there will be less exo-diffusion of X atoms, and an encapsulation layer may become unnecessary.
Selon un mode de réalisation illustré figure 1 1 le procédé selon l'invention comprend en outre après l'étape de recuit, une étape 370 de dissolution sélective de la partie supérieure du substrat résiduel de manière à mettre à nu le matériau bidimensionnel mat2D. Avec un matériau 2D mis à nu on peut prendre facilement des contacts et fabriquer des dispositifs. According to an embodiment illustrated in FIG. 1 1 the method according to the invention further comprises after the annealing step, a step 370 of selective dissolution of the upper part of the residual substrate so as to expose the two-dimensional material mat2D. With a 2D material exposed one can easily make contacts and make devices.
Selon une autre option illustrée figure 12 le procédé 10 comprend en outre une étape de séparation 350 du matériau bidimensionnel mat2D du substrat Subr (partie inférieure et supérieure) et une étape 360 de transfert de mat2D sur un substrat de destination Subd. According to another option illustrated in FIG. 12, the method 10 further comprises a separation step 350 of the two-dimensional mat2D material of the substrate Sub r (lower and upper part) and a step 360 of transfer of mat2D onto a Subd destination substrate.
Selon encore une autre option il n'y a pas de séparation, et on fabrique directement des dispositifs basés sur cette couche active mat2D enterrée tel qu'illustré figure 13 pour la fabrication d'un dispositif (opto)électronique (transistor, photodétecteur,...). Par exemple pour réaliser un transistor, on dépose une couche de résine photosensible 12 puis par photolitographie et gravure ionique (« Ion beam eching » en anglais) on creuse deux puits dans le matériau Sub. Puis en II on remplit ces trous de métal et en III par un procédé « lift off » on ne garde que les trous métallisés, préférentiellement en
contact avec la couche mat2D par la tranche de manière à constituer la source S et le drain D du transistor. Puis en IV on fabrique la grille G pour finaliser le transistor. La figure 14 illustre les différentes étapes du procédé selon un deuxième mode de réalisation dans lequel les éléments X et M sont implantés dans un substrat Sub qui est une mince couche métallique. La couche métallique est préférentiellement en or mais d'autres métaux sont compatibles en tant que substrat pour le procédé selon l'invention. Pour la suite on dénomme LAu la couche métallique et les exemples, donnés avec une couche d'or, sont généralisâmes aux métaux compatibles. According to yet another option there is no separation, and devices are directly manufactured based on this buried mat2D active layer as shown in Figure 13 for the manufacture of an electronic (opto) device (transistor, photodetector ,. ..). For example, to make a transistor, a layer of photoresist 12 is deposited, then by photolitography and ion etching ("Ion beam eching") two wells are dug in the Sub material. Then in II one fills these holes of metal and in III by a process "lift off" one keeps only the holes metallized, preferentially in contact with the layer mat2D by the wafer so as to constitute the source S and the drain D of the transistor. Then in IV the grid G is made to finalize the transistor. FIG. 14 illustrates the different steps of the method according to a second embodiment in which the elements X and M are implanted in a Sub substrate which is a thin metal layer. The metal layer is preferably gold but other metals are compatible as a substrate for the process according to the invention. For the rest, L Au is called the metallic layer, and the examples, given with a layer of gold, are generalized to compatible metals.
Une implantation d'éléments M et X dans une couche d'or est possible car l'or est un des rares métaux qui ne constitue pas de composés chimiques (sulfures) avec les chalcogènes à haute température. L'or constitue donc un substrat chimiquement inerte tel que définit plus haut (selon le matériau 2D, d'autres couches métalliques peuvent être utilisées). An implantation of M and X elements in a gold layer is possible because gold is one of the rare metals that does not constitute chemical compounds (sulphides) with chalcogens at high temperature. Gold thus constitutes a chemically inert substrate as defined above (depending on the 2D material, other metal layers may be used).
La couche d'or est elle-même déposée sur un deuxième support/substrat Sub2 chimiquement inerte, isolant et préférentiellement monocristallin. The gold layer is itself deposited on a second support / Sub2 substrate chemically inert, insulating and preferably monocrystalline.
On emploie ici le terme « support » de manière artificielle pour ne pas créer de confusion avec le « substrat » au sens de l'implantation, et le support Sub2 est un substrat au sens commun du terme. The term "support" is used here artificially to avoid confusion with the "substrate" in the sense of implantation, and the substrate Sub2 is a substrate in the common sense of the term.
Selon la méthode et les conditions de dépôt, la couche LAu est de nature polycristalline ou monocristalline. According to the method and the deposition conditions, the L Au layer is of polycrystalline or monocrystalline nature.
Selon une option préférée la couche LAu est monocristalline, et réalisée par épitaxie sur Sub2 (par « MBE » pour Molecular beam Epitaxy ou « CVD » pour Chemical Vapor Déposition ») qui est nécessairement monocristallin et sert alors de germe de croissance. According to a preferred option, the L Au layer is monocrystalline, and is produced by epitaxy on Sub2 (by "MBE" for Molecular Beam Epitaxy or "CVD" for Chemical Vapor Deposition) which is necessarily monocrystalline and then serves as growth germ.
L'arrangement monocristallin de la couche LAu facilite la synthèse organisée de mat2D, c'est-à-dire une croissance monocristalline (voir plus haut). The monocrystalline arrangement of the L Au layer facilitates the organized synthesis of mat2D, i.e., monocrystalline growth (see above).
Selon une autre option l'étape de dépôt de la couche LAu est réalisée par une méthode de dépôt de couches atomiques dénommé ALD pour « Atomic Layer déposition » en anglais.
Sur la figure 14a à l'étape 100 des atomes de M sont implantés dans la mince couche d'or LAu, à une profondeur pO comprise dans l'épaisseur de la couche d'or. Typiquement LAu présente une épaisseur comprise entre quelques nm et quelques dizaines de nanomètres. According to another option, the deposition step of the L Au layer is carried out by an atomic layer deposition method called ALD for "Atomic Layer deposition" in English. In FIG. 14a at step 100, M atoms are implanted in the thin L Au gold layer, at a depth pO included in the thickness of the gold layer. Typically L Au has a thickness of between a few nm and a few tens of nanometers.
Préférentiellement l'énergie d'implantation de chaque élément implanté est déterminée de sorte que la localisation de chaque élément implanté s'effectue dans la couche déposée LAu. Preferably, the implantation energy of each implanted element is determined so that the location of each implanted element is effected in the deposited layer L Au .
Sur la figure 14b à l'étape 200 des atomes de X sont implantés dans la couche d'or LAu sensiblement à la même profondeur p0. In FIG. 14b at step 200 X atoms are implanted in the L Au gold layer at substantially the same depth p 0 .
Lors de l'étape de recuit 300 illustrée figure 14c, une couche de mat2D se constitue préférentiellement à l'interface avec l'air, en surface de la couche d'or. En effet le taux de solubilité dans l'or de X et M est très faible, les atomes sont « poussés » vers la surface. Le résultat final est alors une couche mat2D à la surface d'une couche métallique résiduelle LAu r, elle- même sur un substrat isolant et monocristallin Sub2. During the annealing step 300 illustrated in FIG. 14c, a layer of mat2D is preferentially formed at the interface with the air, at the surface of the gold layer. Indeed, the degree of solubility in gold of X and M is very low, the atoms are "pushed" towards the surface. The final result is then a mat2D layer on the surface of a residual metal layer L Au r , itself on an insulating substrate and monocrystalline Sub2.
Cependant en fonction des conditions d'implantations, la couche mat2D peut également être localisée soit à l'intérieur de la couche LAu soit à l'interface avec Sub2. However, depending on the implantation conditions, the mat2D layer can also be located either inside the L Au layer or at the interface with Sub2.
Une séparation de mat2D de la couche LAu r peut être souhaitée de la même manière que pour le premier mode de réalisation. Pour certaines applications il convient de séparer mat2D de la couche résiduelle LAu r. Mat2D separation of the layer L to the R may be desired in the same manner as for the first embodiment. For some applications mat2D should be separated from the residual layer L Au r .
La figure 15 illustre le deuxième mode de réalisation du procédé selon l'invention comprenant une étape 100 de dépôt d'une mince couche d'or sur le deuxième support Sub2, et comprenant après l'étape de recuit, une étape 310 de séparation du matériau bidimensionnel mat2D de la couche métallique résiduelle LAu r et une étape 320 de transfert du matériau mat2D sur un substrat de destination Subd. FIG. 15 illustrates the second embodiment of the method according to the invention comprising a step 100 of deposition of a thin layer of gold on the second support Sub2, and comprising, after the annealing step, a step 310 of separation of the two-dimensional mat2D material of the residual metal layer L Au r and a step 320 of transfer of mat2D material on a Subd destination substrate.
Selon un mode de réalisation la séparation s'effectue par attaque chimique sélective du matériau résiduel. La couche active mat2D flotte alors par
capillarité à la surface du bain d'attaque, et on la récupère sur le substrat de destination Subd selon une des méthodes connus de l'homme de l'art pour le transfert du graphène, tel qu'illustré figure 12. Préférentiellement le matériau mat2D se forme en surface de la couche d'or ou à l'interface de la couche d'or avec Sub2. According to one embodiment, the separation is carried out by selective chemical etching of the residual material. The mat2D active layer then floats capillarity on the surface of the etching bath, and is recovered on the Subd destination substrate according to one of the methods known to those skilled in the art for the transfer of graphene, as illustrated in FIG. 12. Preferably the mat2D material forms on the surface of the gold layer or at the interface of the gold layer with Sub2.
Pour le cas dans lequel la couche mat2D se forme à l'interface avec Sub2, la couche Lr Au se retrouve en partie supérieure et peut alors être attaquée chimiquement. On obtient alors directement (sans transfert) la couche mat2D sur son substrat d'origine isolant. For the case in which the mat2D layer is formed at the interface with Sub2, the layer L r Au is found in the upper part and can then be etched chemically. The mat2D layer is then obtained directly (without transfer) on its substrate of insulating origin.
Lorsqu'il reste, après recuit et cristallisation de la couche mat2D, une partie Lr Au de la couche métallique d'or localisée entre la couche mat2D et le substrat Sub2, l'étape de séparation n'est pas aisée à réaliser par attaque chimique car le point d'entrée du liquide de l'attaque est uniquement la tranche de Lr Au. When, after annealing and crystallization of the mat2D layer, a portion L r Au of the gold metal layer located between the mat2D layer and the Sub2 substrate remains, the separation step is not easy to achieve by etching. chemical because the point of entry of the liquid of the attack is only the slice of L r Au .
Pour résoudre ce problème, selon un mode de réalisation on utilise une séparation tel qu'illustrée figure 16, comprenant une sous étape de décollement laser pour séparer Lr Au et Sub2, afin de rendre accessible Lr Au, et une sous étape d'attaque sélective de Lr Au (par dissolution du métal). To solve this problem, according to one embodiment, a separation is used as illustrated in FIG. 16, comprising a sub-step of laser separation to separate L r Au and Sub2, in order to make L r Au accessible, and a sub-step of selective attack of L r Au (by dissolution of the metal).
En 1 6-1 est représenté l'empilement initial constitué ici d'une couche de mat2D encapsulée dans une couche de PMMA ou autre matériau (polymère ou autre) suffisamment rigide et facile à éliminer après transfert (cette couche de PMMA servira de support intermédiaire après l'étape de décollement décrite plus loin) et localisée sur la couche résiduelle Lr Au, elle- même déposée sur Sub2. En 1 6-2 est représentée la sous étape de décollement à l'aide d'un faisceau laser 50 (« laser lift off » en anglais). Par exemple le faisceau rectangulaire issu d'un laser UV est transformé, à l'aide d'une optique adéquate, en une ligne (moins de 1 mm par plusieurs cm) que l'on vient scanner sur le substrat dans une direction perpendiculaire à la ligne. In 1 6-1 is represented the initial stack consisting here of a layer of mat2D encapsulated in a layer of PMMA or other material (polymer or other) sufficiently rigid and easy to remove after transfer (this layer of PMMA will serve as intermediate support after the delamination step described later) and localized on the residual layer L r Au , itself deposited on Sub2. In 16-2 is shown the sub-step of detachment using a laser beam 50 ("laser lift off" in English). For example, the rectangular beam resulting from a UV laser is transformed, with the aid of adequate optics, into a line (less than 1 mm per several cm) that is scanned on the substrate in a direction perpendicular to line.
En 1 6-3 est représentée la sous-étape d'attaque sélective de Lr Au par trempage de l'empilement Lr Au/mat2D/PMMA dans un bain 51 attaquant sélectivement le l'or, tel que le Kl/I2 (K : Potassium et l2 : iode).
En 16-4 est représenté l'empilement mat2D/PMMA une fois l'attaque sélective arrivée à son terme. In 1 6-3 is shown the substep of selective etching of L r Au by dipping the L r Au / mat2D / PMMA stack in a bath 51 selectively attacking the gold, such as Kl / I 2 (K: Potassium and l 2 : iodine). In 16-4 is represented the mat2D / PMMA stack once the selective attack has come to an end.
En 1 6-5 l'empilement mat2D/PMMA est transféré sur le substrat de destination Subd constitué ici de silicium oxydé (Si02 sur Si) et en 1 1 -6 on a enlevé la couche de PMMA et on obtient une couche de matériau h-BN sur le substrat en silicium oxydé. At 16-5, the mat2D / PMMA stack is transferred to the Subd destination substrate consisting of oxidized silicon (Si0 2 on Si) and in 1 1 -6 the PMMA layer is removed and a layer of material is obtained. h-BN on the oxidized silicon substrate.
Selon un autre aspect, l'invention concerne un dispositif typiquement électronique ou optoélectronique (transistor, photodétecteur,...) comprenant au moins une monocouche L de matériau bidimensionnel mat2D, dénommée couche active, enterrée dans un substrat Sub chimiquement inerte, ledit matériau bidimensionnel comprenant au moins un élément M métal et un élément X chalcogène. According to another aspect, the invention relates to a typically electronic or optoelectronic device (transistor, photodetector, ...) comprising at least one monolayer L of two-dimensional material mat2D, called active layer, buried in a substrate Sub chemically inert, said two-dimensional material comprising at least one M metal element and a chalcogen X element.
Un exemple de réalisation d'un tel dispositif de type transistor est décrit figure 13. An exemplary embodiment of such a transistor type device is described in FIG. 13.
Les méthodes de réalisation de matériaux 2D selon l'état de la technique ne permettent de réaliser que des couches en surface (voir figure 7bis). Seule l'utilisation de l'implantation ionique permet l'obtention de monocouches de matériau 2D enterrées dans un substrat.
The methods for producing 2D materials according to the state of the art only make it possible to produce layers on the surface (see FIG. 7bis). Only the use of ion implantation makes it possible to obtain monolayers of 2D material buried in a substrate.