阅读说明：本技术 一种大晶畴尺寸ws2单晶的生长方法 (Large domain size WS2Method for growing single crystal ) 是由 兰飞飞 王再恩 董增印 张嵩 王健 张胜男 李轶男 霍晓青 于 2020-05-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种大晶畴尺寸WS<Sub>2</Sub>单晶的生长方法。该方法采用半封闭方式步骤是：将WO<Sub>3</Sub>粉末置于石英舟中,将衬底放在石英舟顶部,将石英舟放入半封闭石英管中；将石英管放入系统中进行抽真空,当压力为0mbar时,通入Ar气,压力保持在10-20mbar；对系统进行升温,将温度升至900-1000℃,达到设定温度后对硫粉进行加热,温度为190-250℃；达到设定温度后通入硫蒸汽进行WS<Sub>2</Sub>单晶的生长,生长时间为20-50min。采用半封闭方式提高成核以及生长过程中钨源的过饱和度,使得成核生长过程中衬底表面钨源供应充足,保证生长的顺利进行,能够显著增大WS<Sub>2</Sub>单晶的晶畴尺寸,利于大晶畴尺寸WS<Sub>2</Sub>单晶的生长。(The invention discloses a large domain size WS 2 A method for growing a single crystal. The method adopts a semi-closed mode and comprises the following steps: mixing WO 3 Putting the powder into a quartz boat, putting the substrate on the top of the quartz boat, and putting the quartz boat into a semi-closed quartz tube; putting the quartz tube into a system, vacuumizing, introducing Ar gas when the pressure is 0mbar, and keeping the pressure at 10-20 mbar; heating the system to 900-; after reaching the set temperature, introducing sulfur steam for WS 2 And (3) growing the single crystal for 20-50 min. The supersaturation degree of the tungsten source in the nucleation and growth processes is improved by adopting a semi-closed mode, so that the tungsten source supply on the surface of the substrate in the nucleation and growth processes is sufficient, the smooth growth is ensured, and the WS can be remarkably increased 2 The size of the domains of the single crystal is favorable for the size WS of large domains 2 And (4) growing a single crystal.)

一种大晶畴尺寸WS2单晶的生长方法

技术领域

本发明涉及采用CVD法制备WS₂单晶工艺，尤其是涉及一种大晶畴尺寸WS₂单晶的生长方法。

背景技术

二维WS₂是过渡金属硫化物中的典型代表，是典型的二维层状材料，单层的WS₂为直接带隙半导体材料，迁移率超过1000cm²/V.s，远高于同等厚度下硅材料的迁移率；WS₂表面无悬挂键，能够在复杂的环境中保持良好的稳定性；WS₂基场效应晶体管具有超低的晶态功耗，它的运用将能够显著降低系统功耗。此外，WS₂具有优异的光学性能，良好的机械柔韧性。为此，WS₂在微电子以及柔性光电子等领域有着潜在的应用前景。

目前研究人员采用CVD法已经能够获得晶圆级的WS₂单层连续薄膜，但是这种连续膜薄膜往往由不同位置自发成核的单晶合并生长获得的，而这些自发成核的单晶往往具有不同的景象，所以这种连续膜中往往存在大量的晶界，而晶界处往往是缺陷聚集处，导致薄膜质量严重下降，严重降低了WS₂材料的迁移率。所以进行大晶畴尺寸WS₂单晶的生长研究是WS₂研究进程中必须要解决的问题。目前采用CVD法制备的WS₂晶畴尺寸仅为数十微米，难以获得具有大晶畴尺寸的WS₂单晶。

目前CVD法进行WS₂单晶生长过程中主要采用WO₃作为W源，高纯S粉作为硫源，在一定生长条件下加热的S蒸汽随着载气的输运到达WO₃源区，与WO₃进行反应获得WO_3-X，这种降解的W源的化合物沉积在衬底的表面，随着S蒸汽的持续供应，W源的氧化物被完全硫化，获得WS₂薄膜材料。在WS₂单晶生长的过程中主要的难点在于成核及生长过程中W源的过饱和度过低，过低的W源过饱和度使得衬底面无法获得所需要的W源的过饱和度，进而导致晶畴尺寸难以扩大。造成W源过饱和度过低的主要原因是WO₃的熔点高达1473℃，而常规的CVD生长系统温度为1200℃，所以在生长的过程中W源的过后饱和度难以满足大晶畴尺寸单晶WS₂生长的需求。如何采取有效的措施提高W源的过饱和度，实现大晶畴尺寸WS₂单晶的稳定生长，是WS₂研究过程中急需解决的难题。

发明内容

本发明的目的是解决现有CVD法生长WS₂单晶过程晶畴晶尺寸过小的问题，特别提供一种大晶畴尺寸WS₂单晶的生长方法，以达到增大WS₂单畴尺寸，提高WS₂单晶质量。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种大晶畴尺寸WS₂单晶的生长方法，其特征在于，在WS₂单晶生长过程中采用半封闭方式提高W源过饱和度，进而实现WS₂晶畴尺寸的扩大，其晶体生长过程按照以下步骤完成：

第一步、使用电子天平将一定量的硫粉置于料瓶中。

第二步、使用电子天平将一定量的WO₃粉末置于石英舟中，将衬底生长面向下放置在石英舟表面。

第三步、将装有衬底与WO₃粉末的石英舟置于一端开口的半封闭石英管中。

第四步、将半封闭石英管放入CVD生长系统中；对CVD生长系统进行抽真空处理，当系统内压力为0mbar时，通入Ar气进行吹扫，Ar气流量为500sccm。

第五步、将Ar气流量降至100sccm-150sccm，系统内压力保持在10mbar-20mbar。

第六步、对系统进行升温，将系统温度升至900℃-1000℃，达到生长温度后开始对硫粉进行加热，加热温度控制在190℃-250℃。

第七步，硫粉温度达到设定温度后，向系统内通入硫蒸汽，开始进行WS₂单晶的生长，生长时间为20min-50min。

第八步，生长结束，降温，取样。

本发明制备大晶畴尺寸WS₂单晶的原理：通过在生长开始前引入半封闭装置，而常规WS2单晶生长过程中直接将WO3与衬底放置在生长系统内。与传统方法相比，在单位时间内WO3蒸发量相同的条件下，本发明中引入的半封闭装置能够将蒸发出来的WO3聚集在更小的空间内，提高WO3的蒸汽压，进而能够有效的提升WS2生长过程中W源的过饱和度，进而实现单晶尺寸的扩大，通过采用这种方法能够将WS2单晶尺寸扩大至400微米，而常规生长方法获得的WS2单晶尺寸通常仅为数十微米。

本发明的有益效果是：采用半封闭方式进行大晶畴尺寸WS₂单晶的生长，实现了WS₂成核以及生长过程中W源过饱和度的提高，进而实现了WS₂生长过程中对W源过饱和度的要求，进而实现晶畴尺寸的扩大。该方法的应用能够实现大晶畴尺寸WS₂单晶的可控生长。

附图说明

图1为本发明采用的半封闭方式的生长装置示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

实施例：

第一步，将10g硫粉置于料瓶中。

第二步，如图1所示，生长开始前将0.06g的高纯三氧化钨粉末2放置在石英舟4内，将蓝宝石衬底3放在石英舟4顶部，即蓝宝石衬底生长面向下放置在石英舟表面，然后将石英舟4放入半封闭石英管1中。

第三步，将生长装置放入CVD生长系统内部，装炉，对系统实施抽真空处理，当系统内压力为0mbar时，通入Ar气进行吹扫，Ar气流量为500sccm。

第四步，将Ar气流量降至100sccm，系统内压力保持在10mbar，对系统升温，低温区温度900℃，高温区温度920℃。

第五步，系统内温度达到设定温度后对S源进行加热，加热温度为190℃。

第六步，硫粉温度达到设定温度后，向系统内通入硫蒸汽，开始进行WS₂单晶生长，生长时间为30min。

第七步，生长结束，自然将至室温，取出样品进行测试。

通过微分干涉显微镜测试发现，WS₂单晶三角形尺寸能够达到400微米。