大面积二维材料及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体集成电路设计及制造领域，特别是涉及一种大面积二维材料及其制备方法。

背景技术

二维材料的全名为二维原子晶体材料，是伴随人们成功分离出单原子层的石墨材料---石墨烯(graphene)而提出的。

二维材料因其载流子迁移被限制在二维平面内，使得这种材料展现出许多奇特的性质。其带隙可调的特性在场效应管、光电器件、热电器件等领域应用广泛；不同的二维材料由于晶体结构的特殊性质导致了不同的电学特性或光学特性的各向异性，包括拉曼光谱、光致发光光谱、二阶谐波谱、光吸收谱、热导率、电导率等性质的各向异性，在偏振光电器件、偏振热电器件、仿生器件、偏振光探测等领域也具有很大的发展潜力。

二维材料通常可以制备在蓝宝石、SiO

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大面积二维材料及其制备方法，用于解决现有技术中二维材料制备的晶体管产生的焦耳热难以有效传导的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种大面积二维材料的制备方法，所述制备方法包括：提供一单晶基底；于所述单晶基底上形成单晶热导层，所述单晶热导层的热导率至少大于所述蓝宝石基底的热导率；于所述单晶热导层上形成二维材料层。

可选地，所述单晶热导层的热导率为蓝宝石基底的热导率的10倍以上。

可选地，所述单晶基底包括蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓和金刚石中的一种，或包括上述任意一种单晶基底的单晶斜切基底。

可选地，所述单晶基底为单晶斜切的C面蓝宝石基底，所述单晶斜切的C面蓝宝石基底的表面原子级台阶方向沿着晶体的M轴方向，表面原子级台阶方向为

可选地，所述单晶热导层的厚度范围为500纳米～5微米。

可选地，所述单晶热导层包括单晶AlN层，所述单晶AlN层包括斜切单晶AlN薄膜。

可选地，所述单晶AlN层的形成方法包括物理气相沉积工艺PVD、脉冲激光沉积工艺PLD、分子束外延工艺MBE、金属有机物化学气相沉积工艺MOCVD、氢化物气相沉积工艺HVPE及物理气相输运工艺PVT中的一种。

可选地，于所述单晶基底上形成单晶热导层后，先对所述单晶热导层进行图形化，以形成多个分立岛状结构，再于所述单晶热导层上形成二维材料层。

可选地，所述二维材料层包括仅形成于所述分立岛状结构上的分立二维材料层或形成于所述分立岛状结构及分立岛状结构之间显露的单晶基底上的连续二维材料层。

可选地，所述二维材料层包括单层二维材料及多层二维材料中的一种。

可选地，所述二维材料层包括单晶二维材料。

可选地，所述二维材料层的形成方法包括化学气相沉积工艺CVD、分子束外延工艺MBE、原子层沉积工艺ALD、物理气相输运工艺PVT、机械剥离工艺、湿法转移工艺及干法转移工艺中的一种。

本发明还提供一种如上任意一项方案所述的大面积二维材料的制备方法所制备的二维材料，包括：单晶基底；单晶热导层，形成于所述单晶基底上，所述单晶热导层的热导率至少大于所述蓝宝石基底的热导率；二维材料层，形成于所述单晶热导层上。

如上所述，本发明的大面积二维材料及其制备方法，具有以下有益效果：

本发明以高热导率的AlN等材料作为二维材料晶体管衬底材料，可以将二维材料晶体管工作产生的焦耳热高效的传导出去，减弱器件工作时的升温，有利于维持二维材料沟道的高迁移率，获得较高的开态电流，降低门延迟，提升二维集成电路的工作速度。

本发明的单晶蓝宝石与单晶AlN层晶格常数相近，在斜切单晶蓝宝石上能够外延出斜切单晶AlN层，在斜切单晶AlN层上能够生长大面积高质量的单晶二维材料，高质量的单晶二维材料有利于在二维晶体管器件中获得高开态电流以及更好的器件性能一致性。

本发明在单晶AlN层上制备的二维材料可以直接用于制备二维材料晶体管等器件，无需再进行转移过程，避免了二维材料在转移过程中产生的缺陷、残胶、掺杂等不利影响。

本发明可以对单晶AlN进行图形化后再生长二维材料，分立岛状结构的AlN层能够更有效减小生长工艺中AlN层与衬底之间热失配导致的应力，提高所能承受的生长温度。

附图说明

所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于说明本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1～图3显示为本发明实施例1的大面积二维材料的制备方法各步骤所呈现的结构示意图。

图4～图6显示本发明为实施例2的大面积二维材料的制备方法各步骤所呈现的结构示意图。

元件标号说明

101 单晶基底

102 单晶热导层

1021分立岛状结构

103 二维材料层

104 分立二维材料层

105 连续二维材料层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

如图1～图3所示，本实施例提供一种大面积二维材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

如图1所示，首选进行步骤1)，提供一单晶基底101。

在一个实施例中，所述单晶基底101可以为蓝宝石基底、硅基底、碳化硅基底、氮化镓基底和金刚石基底中的一种，也可以为单晶斜切的蓝宝石基底、单晶斜切的硅基底、单晶斜切的碳化硅基底、单晶斜切的氮化镓基底和单晶斜切的金刚石基底中一种。

在一个实施例中，所述单晶基底101为单晶斜切的C面蓝宝石基底，所述单晶斜切的C面蓝宝石基底的表面原子级台阶方向沿着晶体的M轴方向，表面原子级台阶方向为

如图2所示，然后进行步骤2)，于所述单晶基底101上形成单晶热导层102，所述单晶热导层102的热导率至少大于所述蓝宝石基底101的热导率，尤其是当所述单晶基底101选用为单晶蓝宝石基底时，所述单晶热导层102的热导率大于单晶蓝宝石基底的热导率。

在一个实施例中，所述单晶热导层102的厚度可以为500纳米～5微米之间。一方面，过厚的单晶热导层102会存在较大的应力，容易造成晶体缺陷，而过薄的单晶热导层102，其导热能力会存在不足，造成散热性能不足。因此，本实施例中，将所述单晶热导层102的厚度设置为500纳米～5微米之间，优选为1微米～3微米之间，一方面可以保证单晶热导层102的生长质量，另一方面可以保证单晶热导层102的散热效率。

在一个实施例中，所述单晶热导层102的热导率为蓝宝石基底的热导率的10倍以上。例如，所述单晶基底101为单晶蓝宝石基底，其热导率大约为25W/m/k，所述单晶热导层102为单晶AlN层，其热导率则约为319W/m/k，因此，单晶AlN层可以快速有效地将二维材料晶体管的热量进行传导散热，使得二维材料晶体管的散热性能大大提高。

在一个实施例中，所述单晶热导层102包括单晶AlN层(氮化铝层)，所述单晶AlN层包括斜切单晶AlN薄膜。

本发明的单晶蓝宝石基底与单晶AlN层晶格常数相近，在斜切单晶蓝宝石基底上能够外延出斜切单晶AlN层，在斜切单晶AlN层上能够生长大面积高质量的单晶二维材料，高质量的单晶二维材料有利于在二维晶体管器件中获得高开态电流以及更好的器件性能一致性。

在一个实施例中，所述单晶AlN层的形成方法包括物理气相沉积工艺PVD、脉冲激光沉积工艺PLD、分子束外延工艺MBE、金属有机物化学气相沉积工艺MOCVD、氢化物气相沉积工艺HVPE及物理气相输运工艺PVT中的一种。

需要说明的是，当所述单晶基底选用为金刚石时，金刚石具有较高的热导率，但其不适于二维材料的生长，通过在金刚石上制备单晶热导层102，在生长二维材料层，可以获得在金刚石上且质量较高的二维材料，同时，所述单晶热导层102和金刚石配合，可以更加有效地提高二维材料的散热效果。

如图3所示，最后进行步骤3)，于所述单晶热导层102上形成二维材料层103。

在一个实施例中，所述二维材料层103包括单层二维材料及多层二维材料中的一种。

在一个实施例中，所述二维材料层103包括单晶二维材料。

在一个实施例中，所述二维材料层103的形成方法包括化学气相沉积工艺CVD、分子束外延工艺MBE、原子层沉积工艺ALD、物理气相输运工艺PVT、机械剥离工艺、湿法转移工艺及干法转移工艺中的一种。

在一个实施例中，所述二维材料层103例如可以为石墨烯(graphene)、氮化硼(BN)、二硫化钼(MoS

在一个实施例中，还包括在所述二维材料层103上直接制备晶体管的步骤。本发明在单晶AlN层上制备的二维材料可以直接用于制备二维材料晶体管等器件，无需再进行转移过程，避免了二维材料在转移过程中产生的缺陷、残胶、掺杂等不利影响。

本实施例还提供一种如上实施例所述的大面积二维材料的制备方法所制备的二维材料，包括：单晶基底101；单晶热导层102，形成于所述单晶基底101上，所述单晶热导层102的热导率至少大于所述蓝宝石基底101的热导率；二维材料层103，形成于所述单晶热导层102上。

本发明的单晶蓝宝石与单晶AlN层晶格常数相近，在斜切单晶蓝宝石上能够外延出斜切单晶AlN层，在斜切单晶AlN层上能够生长大面积高质量的单晶二维材料，高质量的单晶二维材料有利于在二维晶体管器件中获得高开态电流以及更好的器件性能一致性。

实施例2

如图1～2、图4～6所示，本实施例提供一种大面积二维材料的制备方法，所述制备方法的基本步骤可参阅实施例1，其中，与实施例1的不同之处在于：如图4所示，于所述单晶基底101上形成单晶热导层102后，先对所述单晶热导层102进行图形化，以形成多个分立岛状结构1021，再于所述单晶热导层102上形成二维材料层。

在一个实施例中，所述分立岛状结构1021的形状可以为矩形、圆角矩形、三角形、圆形、椭圆形、正六边形等，可依据实际生产需要进行调整，并不限于此处所列举的示例。

在一个实施例中，如图5所示，所述二维材料层包括仅形成于所述分立岛状结构1021上的分立二维材料层104。

在另一个实施例中，如图6所示，所述二维材料层包括形成于所述分立岛状结构1021及分立岛状结构1021之间显露的单晶基底101上的连续二维材料层105。

本发明可以对单晶AlN进行图形化后再生长二维材料，分立岛状结构1021的AlN层能够更有效减小生长工艺中AlN层与衬底之间热失配导致的应力，提高所能承受的生长温度。同时，通过使二维材料层仅形成于所述分立岛状结构1021上，可以直接形成图形化的二维材料层，并在图形化的二维材料层上直接制备出分立的晶体管，不需要额外对二维材料层进行刻蚀，从而有效节省工艺成本。当需要连续的二维材料层时，也可以通过控制工艺条件使二维材料层同时形成于所述分立岛状结构1021及分立岛状结构1021之间，通过图形化的单晶热导层102进行散热，从而满足不同的生产需求。

如上所述，本发明的大面积二维材料及其制备方法，具有以下有益效果：

本发明以高热导率的AlN等材料作为二维材料晶体管衬底材料，可以将二维材料晶体管工作产生的焦耳热高效的传导出去，减弱器件工作时的升温，有利于维持二维材料沟道的高迁移率，获得较高的开态电流，降低门延迟，提升二维集成电路的工作速度。

本发明的单晶蓝宝石与单晶AlN层晶格常数相近，在斜切单晶蓝宝石上能够外延出斜切单晶AlN层，在斜切单晶AlN层上能够生长大面积高质量的单晶二维材料，高质量的单晶二维材料有利于在二维晶体管器件中获得高开态电流以及更好的器件性能一致性。

本发明在单晶AlN层上制备的二维材料可以直接用于制备二维材料晶体管等器件，无需再进行转移过程，避免了二维材料在转移过程中产生的缺陷、残胶、掺杂等不利影响。

本发明可以对单晶AlN进行图形化后再生长二维材料，分立岛状结构1021的AlN层能够更有效减小生长工艺中AlN层与衬底之间热失配导致的应力，提高所能承受的生长温度。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。