在二维层状材料上生长超薄高质量氧化物薄膜的方法及其应用与流程

本发明涉及一种在二维层状材料上生长超薄高质量氧化物薄膜的方法及其用于制备电子器件的应用，属于二维材料电子器件领域。

背景技术：

近几十年来，硅基电子器件在摩尔定律的指导下，特征尺寸不断缩小。但是随着尺度逐渐逼近量子极限，包括短沟道效应等问题限制了硅基电子器件尺寸的进一步缩小。研究和发展新型材料是延续摩尔定律的主要途径之一。自从石墨烯被发现以来，越来越多的二维层状材料由于其在力、热、光、电等方面的优异性质，受到了人们的关注。二维材料面内一般由共价键键合，而层间仅靠范德瓦尔斯力相结合，这一特性使得我们能够得到具有原子级的单层二维材料，其厚度一般在1纳米以下。由于二维材料的原子级厚度，使得其能够在短沟道器件中仍保持优异的性能，特别是1纳米栅长器件的制备，展现了硅基电子器件所不具备的优势。

目前，限制二维层状材料逻辑器件发展的一个重要挑战是沉积高质量的氧化物介电层。由于二维层状材料表面无悬挂键，在其上直接利用原子层沉积氧化物薄膜，存在粗糙度大、有气孔、不连续、不致密、不均匀等问题，抑制了二维层状材料顶栅器件的发展及应用。目前常用的方法是在二维材料上沉积金属，其氧化后作为种子层。但是沉积金属时，高温的金属蒸汽能量较大，容易损伤二维材料，产生很多缺陷，而且，沉积金属作为种子层时，为了保证对二维材料的充分覆盖，所需的金属厚度较厚，无法实现超薄氧化物沉积。其他方法利用等离子体、臭氧等气体等对二维材料表面进行官能化，增大二维材料表面亲水性，进而沉积氧化物介质层，但是会对二维材料产生一些不可逆的损伤。目前公开报道的方法均难以获得均匀的超薄高质量氧化物薄膜。

基于此，发明人开发了一种在二维材料上外延生长单层二维有机分子薄膜作为种子层，进而生长高质量超薄均匀氧化物的方法。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术中在二维材料上生长氧化物薄膜的方法存在的损伤二维材料、氧化物薄膜不均匀、不连续、不致密等问题，本发明提供一种在二维层状材料上生长超薄高质量氧化物薄膜的方法，并提供一种将该方法用于制备电子器件的应用。

技术方案：本发明所述的在二维层状材料上生长超薄高质量氧化物薄膜的方法，包括如下步骤：

(1)采用范德瓦尔斯外延生长技术在二维层状材料上生长单层有机染料分子薄膜；

(2)利用原子层沉积技术，以单层有机染料分子薄膜作为种子层，在二维层状材料上生长出超薄均匀的氧化物薄膜。

其中，二维层状材料包括但不限于石墨烯以及二硫化钼等过渡金属硫族化合物。有机染料分子薄膜包括但不限于如下有机染料分子中任一种形成的薄膜：3,4,9,10-苝四酸二酐及其衍生物、3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺及其衍生物、红荧烯及其衍生物、n，n-二甲苯基苝酰亚胺及其衍生物。氧化物薄膜为任意可利用原子层沉积技术生长的氧化物薄膜，包括但不限于氧化铝薄膜、氧化铪薄膜、氧化锆薄膜、氧化钛薄膜、氧化镧薄膜。

优选的，步骤(1)中，以二维层状材料为衬底、有机染料分子为生长源，间隔距离置于管式炉中，对管式炉抽真空后，加热炉体至生长源位置处温度为240～260℃、保温0.2～0.8h，使有机染料分子蒸发，在二维层状材料上表面沉积形成单层的有机染料分子薄膜。其中，衬底与生长源之间最好间隔2～4cm放置。启动管式炉前，可先用真空泵对管式炉抽至真空；启动管式炉后，最好可先在10min内将炉体升温至220～240℃，然后在5min内继续升温至240～260℃、保温0.2～0.8h；加热结束后，将管式炉自然降温至室温，结束生长。

较优的，步骤(2)中，将生长有单层有机染料分子薄膜的二维层状材料转移至原子层沉积腔体中，抽真空，将腔体温度升高至80～90℃，然后通入金属源及氧化源，在二维层状材料的种子层表面原位沉积得到超薄均匀的氧化物薄膜；较低的温度可以保证单层有机染料分子薄膜在二维层状材料上的完整性，从而保证氧化物薄膜可以实现在二维层状材料上超薄均匀的沉积。最好将腔体温度先升高至70～80℃，等待5-10min后，再将腔体温度升高至80～90℃；通过这种升温方式可保证腔体温度缓慢上升，以防出现温度超过目标温度、影响氧化物薄膜沉积质量的情况。

上述在二维层状材料上生长超薄高质量氧化物薄膜的方法制备的氧化物薄膜可以在很薄的情况下，仍保持优异的均匀性和耐压性，可用于制备多种电子器件，比如场效应晶体管、隧穿晶体管、存储器件等。以场效应晶体管为例，其制备方法可包括如下步骤：

(1)采用范德瓦尔斯外延生长技术在二维层状材料上生长单层有机染料分子薄膜；

(2)利用原子层沉积技术，以所述单层有机染料分子薄膜作为种子层，在二维层状材料上生长出超薄均匀氧化物薄膜，作为介电层；

(3)在生长完超薄氧化物薄膜的二维层状材料上制备顶栅电极，得到二维层状材料场效应晶体管器件。该器件自下而上包括：二维层状材料、单层有机染料分子薄膜、超薄氧化物薄膜和金属顶栅电极。

制备场效应晶体管器件时，二维层状材料、有机染料分子薄膜及氧化物薄膜的原料选择范围以及步骤(1)～(2)的工艺控制过程与上述在二维层状材料上生长超薄高质量氧化物薄膜的方法中相同。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)与传统的蒸镀金属作种子层以及二维层状材料表面官能化等方法相比，本发明通过范德瓦尔斯外延在二维层状材料表面生长单层的有机染料分子薄膜做种子层，可以做到对二维层状材料近乎无损伤，而且结合原子层沉积过程的工艺控制、在该种子层上可沉积得到超薄且均匀致密的氧化物薄膜；同时，本发明的生长方法成本低廉，加工实现简单；(2)与传统的蒸镀金属作为种子层相比，本发明作为种子层的单层有机染料分子薄膜的厚度仅为0.3纳米，远低于蒸镀金属厚度，对整体栅介质的电容影响大幅度降低；(3)利用本发明方法制备的氧化物薄膜可以在很薄的情况下，仍保持优异的均匀性和耐压性，可适用于多种形式下的电子器件应用，包括场效应晶体管，隧穿晶体管，存储器件等，如采用该方法制备的场效应晶体管器件可有效减少漏电量，缓解短沟道效应。

附图说明

图1为实施例1中生长种子层前后石墨烯的原子力显微镜图像，其中，(a)为被转移到硅片上作为衬底的石墨烯的原子力显微镜图像，(b)为生长了单层3,4,9,10-苝四酸二酐分子薄膜的石墨烯的原子力显微镜图像；

图2为采用不同方法生长氧化铪薄膜后石墨烯的原子力显微镜图像，其中，(a)为实施例1中完成氧化铪薄膜生长的石墨烯的原子力显微镜图像，(b)为在石墨烯衬底上直接生长氧化铪薄膜的原子力显微镜图像；

图3为实施例1中完成氧化铪薄膜生长后制备的双栅石墨烯的扫描电镜图；

图4a为该石墨烯器件在不同背栅电压下扫描顶栅电压的转移特性曲线，图4b为对图4a中不同顶栅电压和背栅顶栅下石墨烯狄拉克点提取绘出的顶栅电压-背栅电压变化曲线；

图5a为不同氧化铪厚度的石墨烯双栅器件的击穿特征曲线；图5b为统计了不同氧化铪厚度的30个石墨烯双栅器件的击穿电压和击穿电场；图5c为30个石墨烯双栅器件在顶栅电压等于1伏时的栅漏电流面密度；

图6为实施例2中完成氧化锆薄膜生长的石墨烯的原子力显微镜图像；

图7为实施例3中完成氧化铝薄膜生长的石墨烯的原子力显微镜图像；

图8为实施例4中利用单层3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺分子薄膜作种子层，在石墨烯上完成氧化铝薄膜生长的原子力显微镜图像；

图9为实施例5中生长种子层前后石墨烯的原子力显微镜图像，其中，(a)为被转移到硅片上作为衬底的二硫化钼的原子力显微镜图像，(b)为生长了单层3,4,9,10-苝四酸二酐分子薄膜的二硫化钼的原子力显微镜图像；

图10为实施例5中完成氧化铪生长的二硫化钼的原子力显微镜图像；

图11a为实施例5中制备的二硫化钼器件在不同背栅电压下扫描顶栅电压的转移特性曲线，图11b为对图11a中不同顶栅电压和背栅电压下石墨烯狄拉克点提取绘出的顶栅电压-背栅电压变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明的在二维层状材料上生长超薄高质量氧化物薄膜的方法，利用在二维层状材料表面范德瓦尔斯外延的单层有机染料分子薄膜作为种子层，进而通过原子层沉积在二维层状材料上制备了超薄高质量的氧化物薄膜。这确保了基于二维层状材料的电子器件(如场效应晶体管器件)的制备，为二维层状材料在逻辑/模拟电路的进一步应用创造了有利条件。

实施例1

1)利用机械剥离法制备石墨烯二维层状材料，并将石墨烯二维层状材料转移到硅片上，并在石墨烯的两侧制备上源漏电极；如图1(a)，转移到硅片上作为衬底的薄层石墨烯的厚度为1.1nm。

2)将3,4,9,10-苝四酸二酐粉末放入石英舟中，作为生长源，并将石英舟放入管式炉中心；将转移有石墨烯的硅片放在另一个石英舟上，并将此石英舟放入石英管中，与盛放3,4,9,10-苝四酸二酐粉末的石英舟相距2厘米；放置结束后，将石英管安装至管式炉相应位置，并抽真空；

3)将管式炉启动，炉体温度10分钟升温至240℃，然后5分钟升温至260℃，在260℃维持0.2小时，3,4,9,10-苝四酸二酐粉末生长源蒸发，并沉积到石墨烯上；加热结束后，将管式炉自然降温至室温，结束生长。

4)将生长有单层3,4,9,10-苝四酸二酐分子薄膜的石墨烯从石英管中移至原子层沉积腔体中，对原子层沉积腔体进行抽真空操作，并将腔体温度升高至80℃，等待10min后，再将腔体温度升高至90℃；

5)待腔体/腔壁温度到达额定温度后，以四(二甲胺基)铪作为原子层沉积的金属源，水作为氧化源，设定好循环次数，金属源及氧化源每次脉冲时间分别为250ms和60ms，两次脉冲之间的清洗时间为60s；在石墨烯表面生长1.5nm厚的氧化铪薄膜。

图1(b)为生长有单层3,4,9,10-苝四酸二酐分子薄膜的薄层石墨烯样品的原子力显微镜图像，衬底表面石墨烯及单层分子薄膜的厚度为1.4nm，与图1(a)对比，可以发现厚度增加了0.3nm，正好是单层3,4,9,10-苝四酸二酐分子薄膜的厚度；而且，从其表面形貌可以看出，单层3,4,9,10-苝四酸二酐分子薄膜在石墨烯上可以实现均匀的排列。

图2(a)为生长完氧化铪的原子力显微镜图像，图2(b)为在石墨烯衬底上直接生长氧化铪薄膜的原子力显微镜图像，两者对比表明，利用单层二维分子薄膜作种子层在二维层状材料上生长超薄高质量氧化物薄膜的方法，可以在石墨烯表面制备出均匀平整的氧化铪薄膜。

6)在生长完氧化铪薄膜的石墨烯样品上制备顶栅电极，并对器件进行双栅测试。

图3为制备的薄层石墨烯双栅器件的扫描电子显微镜图像。

图4a为该石墨烯器件在不同背栅电压下扫描顶栅电压的转移特性曲线。图4b为利用图4a的转移特性曲线，提取石墨烯狄拉克点绘制出的顶栅电压-背栅电压曲线，从中可以得到顶栅电容对背栅电容的比值，顶栅电容率：背栅电容率＝183，由于背栅是275nm氧化硅，则该氧化铪薄膜的等效氧化层厚度为1.5nm。

上述实验结果表面，利用单层3,4,9,10-苝四酸二酐分子薄膜作为种子层的方法，能够实现在二维材料上生长出超薄高质量的氧化物薄膜。

以下验证其对场效应晶体管器件的漏电流性能的影响。

采用本实施例的方法分别在石墨烯上生长1.5nm、4nm、9nm和15.6nm厚的氧化铪薄膜，然后制成石墨烯双栅器件，测试不同氧化铪厚度的石墨烯双栅器件的漏电流数据，如图5a～5b。其中，图5a为不同氧化铪厚度的石墨烯双栅器件的击穿特征曲线；图5b为统计了不同氧化铪厚度的30个石墨烯双栅器件的击穿电压和击穿电场，从图中可以看出，击穿电压随着等效氧化层厚度增加，也线性增加，通过对其线性拟合，我们可以得到器件的最高载流子浓度为6.5×10¹³cm^-1；击穿电场随着等效氧化层厚度的降低，快速增加，最高击穿电场可以达到15.5兆伏/厘米。图5c为30个石墨烯双栅器件在顶栅电压等于1伏时的栅漏电流面密度，随着等效氧化层厚度的降低，栅漏电流面密度从10^-6安培/平方厘米缓慢增加；当等效氧化层厚度为1纳米的时候，栅漏电流面密度约为10^-2安培/平方厘米，仍然能够满足低功耗电子器件的使用要求。说明本发明方法制备的氧化物薄膜可以在很薄的情况下，仍保持优异的性能，可适用于多种形式下的电子器件应用。

实施例2

1)利用机械剥离法制备石墨烯二维层状材料，并将石墨烯二维层状材料转移到硅片上；

2)将3,4,9,10-苝四酸二酐粉末放入石英舟中，作为生长源，并将石英舟放入管式炉中心；将转移有石墨烯的硅片放在另一个石英舟上，并将此石英舟放入石英管中，与盛放3,4,9,10-苝四酸二酐粉末的石英舟相距2厘米；放置结束后，将石英管安装至管式炉相应位置，并抽真空；

3)将管式炉启动，炉体温度10分钟升温至240℃，然后5分钟升温至260℃，在260℃维持0.8小时，3,4,9,10-苝四酸二酐粉末生长源蒸发，并沉积到石墨烯上；加热结束后，将管式炉自然降温至室温，结束生长。

4)将生长有单层3,4,9,10-苝四酸二酐分子薄膜的石墨烯从石英管中移至原子层沉积腔体中，对原子层沉积腔体进行抽真空操作，并将腔体温度升高至70℃，等待10min后，再将腔体温度升高至80℃；

5)待腔体/腔壁温度到达额定温度后，以四(二甲胺基)锆作为原子层沉积的金属源，水作为氧化源，设定好循环次数，在石墨烯表面生长5nm厚的氧化锆薄膜。

图6为生长完氧化锆的石墨烯的原子力显微镜图像，可见，本发明的方法能够实现在二维材料上生长出超薄高质量的氧化锆薄膜。

实施例3

1)利用机械剥离法制备石墨烯二维层状材料，并将石墨烯二维层状材料转移到硅片上；

2)将3,4,9,10-苝四酸二酐粉末放入石英舟中，作为生长源，并将石英舟放入管式炉中心；将转移有石墨烯的硅片放在另一个石英舟上，并将此石英舟放入石英管中，与盛放3,4,9,10-苝四酸二酐粉末的石英舟相距2厘米；放置结束后，将石英管安装至管式炉相应位置，并抽真空；

3)将管式炉启动，炉体温度10分钟升温至240℃，然后5分钟升温至260℃，在260℃维持0.2小时，3,4,9,10-苝四酸二酐粉末生长源蒸发，并沉积到石墨烯上；加热结束后，将管式炉自然降温至室温，结束生长。

4)将生长有单层3,4,9,10-苝四酸二酐分子薄膜的石墨烯从石英管中移至原子层沉积腔体中，对原子层沉积腔体进行抽真空操作，并将腔体温度升高至80℃，等待10min后，再将腔体温度升高至90℃；

5)待腔体/腔壁温度到达额定温度后，以三甲基铝作为原子层沉积的金属源，水作为氧化源，设定好循环次数，在石墨烯表面生长5nm厚的氧化铝薄膜。

图7为生长完氧化铝的石墨烯的原子力显微镜图像，说明采用本发明的方法能够实现在二维材料上生长出超薄高质量的氧化铝薄膜。

实施例4

1)利用机械剥离法制备石墨烯二维层状材料，并将石墨烯二维层状材料转移到硅片上；

2)将3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺粉末放入石英舟中，作为生长源，并将石英舟放入管式炉中心；将转移有石墨烯的硅片放在另一个石英舟上，并将此石英舟放入石英管中，与盛放3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺粉末的石英舟相距4厘米；放置结束后，将石英管安装至管式炉相应位置，并抽真空；

3)将管式炉启动，炉体温度10分钟升温至220℃，然后5分钟升温至240℃，在240℃维持0.8小时，3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺粉末生长源蒸发，并沉积到石墨烯上；加热结束后，将管式炉自然降温至室温，结束生长。

4)将生长有单层3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺分子薄膜的石墨烯从石英管中移至原子层沉积腔体中，对原子层沉积腔体进行抽真空操作，并将腔体温度升高至70℃，等待5min后，再将腔体温度升高至80℃；

5)待腔体/腔壁温度到达额定温度后，以三甲基铝作为原子层沉积的金属源，水作为氧化源，设定好循环次数，在石墨烯表面生长3nm厚的氧化铝薄膜。

图8为生长完氧化铝的石墨烯的原子力显微镜图像，可见，以3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺分子薄膜等其他有机染料分子薄膜作为种子层，也能够实现在二维材料上生长出超薄高质量的氧化物薄膜。

实施例5

1)利用机械剥离法制备二硫化钼二维层状材料，并将二硫化钼二维层状材料转移到硅片上，并在二硫化钼的两侧制备上源漏电极；如图9(a)，转移到硅片上作为衬底的薄层二硫化钼的厚度为1.1nm。

2)将3,4,9,10-苝四酸二酐粉末放入石英舟中，作为生长源，并将石英舟放入管式炉中心；将转移有二硫化钼的硅片放在另一个石英舟上，并将此石英舟放入石英管中，与盛放3,4,9,10-苝四酸二酐粉末的石英舟相距2cm；放置结束后，将石英管安装至管式炉相应位置，并抽真空；

3)将管式炉启动，炉体温度10分钟升温至220℃，然后5分钟升温至240℃，在240℃维持0.8小时，3,4,9,10-苝四酸二酐粉末生长源蒸发，并沉积到二硫化钼上；加热结束后，将管式炉自然降温至室温，结束生长。

图9(b)为生长有单层3,4,9,10-苝四酸二酐分子薄膜的薄层二硫化钼样品的原子力显微镜图像，衬底表面二硫化钼及单层分子薄膜的厚度为1.4nm，与图9(a)对比，可以发现厚度增加了0.3nm，正好是单层3,4,9,10-苝四酸二酐分子薄膜的厚度；从其表面形貌可以看出，单层3,4,9,10-苝四酸二酐分子薄膜在石墨烯上可以实现均匀的排列。

4)将生长有单层3,4,9,10-苝四酸二酐分子薄膜的二硫化钼从石英管中移至原子层沉积腔体中，对原子层沉积腔体进行抽真空操作，并将腔体温度升高至80℃，等待5min后，再将腔体温度升高至90℃；

5)待腔体/腔壁温度到达额定温度后，以四(二甲胺基)铪作为原子层沉积的金属源，水作为氧化源，设定好循环次数，在二硫化钼表面生长1.5nm的氧化铪薄膜。

6)在生长完氧化铪薄膜的二硫化钼样品上制备顶栅电极，并对器件进行双栅测试。

图10为生长完氧化铪的二硫化钼的原子力显微镜图像。可以看到，采用本发明的方法可以在二硫化钼表面制备出均匀平整的氧化铪薄膜。

图11a为该器件二硫化钼在不同背栅电压下扫描顶栅电压的转移特性曲线。图11b是进一步利用图11a的转移特性曲线，提取不同背栅电压下顶栅转移特征曲线中的阈值电压，绘制出顶栅电压-背栅电压曲线，从中可以得到顶栅电容对背栅电容的比值，顶栅电容率：背栅电容率等于16.8，由于背栅是30nm的氧化铝，氧化铝的介电常数为7，则该氧化铪薄膜的等效氧化层厚度为1nm。上述结果表明，采用本发明的方法能够实现在二硫化钼上生长出超薄高质量的氧化物薄膜。