ALD法制備二維二硫化鉬薄膜的研究現(xiàn)狀及展望*

常曉萌， 李佳保， 周啟航， 楊培志

(云南師范大學(xué) 能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500)

1 引言

2004年，Novoselov等[1]通過機(jī)械剝離法成功制備出石墨烯(graphene)并對其電學(xué)特性進(jìn)行了研究，證明了二維材料可在自然界中穩(wěn)定存在，開啟了二維材料的研究序幕.但由于石墨烯沒有帶隙，在一定程度上制約了其在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用.隨后，一些其他的二維材料相繼被發(fā)現(xiàn)，其中過渡金屬硫?qū)倩衔?TMDs)引起了人們的關(guān)注，由于其弱的范德瓦爾斯相互作用和缺乏表面懸掛鍵使其易于構(gòu)建異質(zhì)結(jié)，從而消除了嚴(yán)格的熱和晶格匹配的要求.

二硫化鉬(MoS2)是典型的TMDs，具有儲量豐富、價(jià)格低廉和無毒等特點(diǎn).與晶體材料相比，二維MoS2具有單原子層量級的厚度，且具有優(yōu)異的光學(xué)性能、熱電性能及光電性能，在光電器件領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，如光電晶體管[2]、光電探測器[3]、太陽電池[4-6]和場效應(yīng)晶體管(FETs)[7-8]等.室溫下穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，單層MoS2制備的FETs能耗比傳統(tǒng)晶體管小十萬倍[9]，電流開關(guān)比能達(dá)到1×108，載流子遷移率[9]為15 cm2V-1s-1.此外，少層的MoS2光電探測器可在最高200 ℃的工作溫度及約2 MeV的光照強(qiáng)度下工作[4].

二維MoS2的能帶結(jié)構(gòu)能通過其原子層數(shù)進(jìn)行調(diào)控，而原子層沉積(ALD)制備薄膜時(shí)具有優(yōu)異的均勻性且能實(shí)現(xiàn)對層數(shù)的有效控制，因此ALD法在制備層數(shù)可控的MoS2薄膜方面有潛在的優(yōu)勢.在制備過程中，所采用的前驅(qū)體、襯底、溫度和退火等工藝參數(shù)對薄膜質(zhì)量均會產(chǎn)生影響.因此，明確二硫化鉬的結(jié)構(gòu)與制備工藝參數(shù)間的關(guān)系，對于制備可滿足器件應(yīng)用的高品質(zhì)MoS2薄膜具有指導(dǎo)意義.本文首先對MoS2的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡要的介紹，然后重點(diǎn)對二維MoS2制備方法進(jìn)行了闡述，最后對其制備方法進(jìn)行了總結(jié)展望.

2 二硫化鉬結(jié)構(gòu)

二硫化鉬屬于六方晶系，具有兩層硫原子夾一層鉬原子的三明治層狀結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示[10].層內(nèi)由Mo和S原子通過共價(jià)鍵連接，形成穩(wěn)定的六邊形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).層間由范德華力連接，間距約為6.5 ?.由于其層間作用力小，受力時(shí)容易發(fā)生斷裂滑動，與石墨烯的二維結(jié)構(gòu)類似.相較于石墨烯，MoS2具有天然的帶隙并可通過原子層數(shù)進(jìn)行調(diào)控，使其在光電子及半導(dǎo)體領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用潛力.

根據(jù)堆垛次序及Mo原子的配位，塊體MoS2可形成三種形態(tài)的晶體結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示，分別為六方結(jié)構(gòu)的2H相、斜方六面體結(jié)構(gòu)的3R相和正方結(jié)構(gòu)的1T相，其中2H相與3R相為穩(wěn)態(tài)的三棱柱型半導(dǎo)體，1T相為亞穩(wěn)態(tài)的八面體型金屬，3R與1T相均可通過加熱或者微波輻射轉(zhuǎn)變?yōu)?H相，2H相為MoS2最穩(wěn)定的一種形態(tài)[11-12].2H相的MoS2在結(jié)構(gòu)上是以兩層為單位進(jìn)行周期性排列，層數(shù)為奇數(shù)時(shí)，2H相MoS2處于空間反演對稱性破缺狀態(tài)，層數(shù)為偶數(shù)時(shí)則為中心對稱狀態(tài).隨著層數(shù)減少到單層，MoS2帶隙會從1.2 eV[13]的間接帶隙變成1.9 eV的直接帶隙[10]，其能帶結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示.

圖1 (a)MoS2結(jié)構(gòu)三維示意圖[10];(b) MoS2三種形態(tài)結(jié)構(gòu);(c) 塊狀二硫化鉬能帶圖(左)和單層二硫化鉬能帶圖(右)[14]

3 ALD法制備MoS2薄膜

為滿足MoS2薄膜在FET[10,15]、光電探測器[16]和太陽電池[4,17-20]等領(lǐng)域的應(yīng)用需求，首先需要保證MoS2薄膜的面積和質(zhì)量，然而目前得到的MoS2薄膜是存在大量晶界的多晶薄膜，晶界的存在會降低載流子遷移率，晶界處存在的缺陷與應(yīng)力還會影響光電器件的轉(zhuǎn)換效率.因此，如何制備出晶向高度一致的單層MoS2薄膜是半導(dǎo)體器件性能優(yōu)化的關(guān)鍵問題.

目前，制備MoS2薄膜常見的方法有磁控濺射[21-23]、分子束外延[24]、脈沖激光沉積[25]、化學(xué)氣相沉積(CVD)[26-27]和原子層沉積(ALD)等.其中，ALD是一種特殊的化學(xué)氣相沉積法，具有優(yōu)異的三維共形性、大面積均勻性和原子層數(shù)可控性等特點(diǎn).其原理是通過將氣相前驅(qū)體交替泵入反應(yīng)室并在沉積基體表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成薄膜，其自限制反應(yīng)能夠精確控制薄膜的原子層數(shù)并保證薄膜的均勻性，是制備大面積、高質(zhì)量的MoS2薄膜的重要方法.

3.1 制備原理

ALD的基礎(chǔ)在于序列的自終止不可逆的氣-固吸附反應(yīng)，且在反應(yīng)室清洗或抽空過程中被吸附的前驅(qū)體或反應(yīng)物分子不能從表面解吸.ALD制備MoS2薄膜時(shí)首先將Mo-前驅(qū)體通入反應(yīng)室，與襯底表面的-OH發(fā)生化學(xué)吸附，待反應(yīng)飽和后，將腔體中剩余的Mo-前驅(qū)體以及反應(yīng)副產(chǎn)物吹出，隨后通入S-前驅(qū)體，與被吸附的Mo-前驅(qū)體繼續(xù)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成MoS2，最后將腔體中剩余的S-前驅(qū)體以及副產(chǎn)物吹出.一個(gè)完整的ALD周期由吸附-清洗-吸附-清洗四步組成，共包含兩個(gè)吸附反應(yīng)，理想狀態(tài)下均需為不可逆的化學(xué)飽和吸附.

ALD有三種可能的生長模式，分別為二維生長、島狀生長及隨機(jī)沉積.在理想狀態(tài)下，ALD應(yīng)為單原子層生長的二維生長模式，每個(gè)周期結(jié)束后會在沉積表面形成單原子層的薄膜，化學(xué)吸附的覆蓋率應(yīng)等于1，這種生長模式也是決定薄膜均勻性的關(guān)鍵.然而，具體應(yīng)用中由于配位體的空間位阻效應(yīng)和沉積表面反應(yīng)活性位點(diǎn)密度的限制，實(shí)際吸附覆蓋率明顯小于1.當(dāng)沉積表面反應(yīng)活性位點(diǎn)不足時(shí)，容易引起島狀生長影響薄膜質(zhì)量.因此，為改進(jìn)ALD生長速率及薄膜沉積質(zhì)量，需要對襯底表面進(jìn)行不同的預(yù)處理來提高反應(yīng)位點(diǎn)的數(shù)量，如化學(xué)溶液預(yù)處理、等離子體預(yù)處理、反應(yīng)離子刻蝕和臭氧預(yù)處理等.

顯然，襯底及其表面結(jié)構(gòu)、前驅(qū)體以及相關(guān)工藝條件是影響ALD沉積初期生長模式并決定薄膜質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù).因此，ALD法制備MoS2薄膜的研究主要集中在兩個(gè)方面，一是基于MoCl5和H2S前驅(qū)體，通過優(yōu)化工藝參數(shù)以改善薄膜質(zhì)量，主要針對前驅(qū)體類型和溫度等方面進(jìn)行優(yōu)化；二是尋找新的前驅(qū)體，進(jìn)行薄膜的制備研究.

3.2 不同前驅(qū)體對MoS2薄膜質(zhì)量的影響

ALD沉積過程由交替發(fā)生的自飽和表面吸附和化學(xué)反應(yīng)組成，因此要求反應(yīng)前驅(qū)體具有揮發(fā)性好、反應(yīng)活性佳、熱穩(wěn)定性好以及對薄膜或襯底無腐蝕作用等特點(diǎn)，此外，要求其副產(chǎn)物易揮發(fā)、易處理.由于前驅(qū)體對MoS2薄膜質(zhì)量影響較大，因此尋找合適的前驅(qū)體尤為重要.

2014年，Tan等人[28]分別以MoCl5和H2S作為Mo和S的前驅(qū)體，并采用藍(lán)寶石作為襯底，在300 ℃下制備得到MoS2薄膜，每個(gè)ALD循環(huán)(GPC)生長的MoS2薄膜厚度為0.21 nm.一個(gè)完整的沉積反應(yīng)包括兩個(gè)半反應(yīng)，分別為(A)Mo-SH*+MoCl5→Mo-S-MoCl4*+HCl和(B)MoCl*+H2S→Mo-SH*+HCl+S，開始時(shí)，MoCl5可被襯底表面的-OH吸附，其反應(yīng)為|-OH*+ MoCl5→ |-O-MoCl4*+ HCl，其中|-表示襯底表面.襯底溫度為450 ℃，100個(gè)生長周期制備出的MoS2薄膜AFM圖像如圖2所示，晶粒邊緣模糊，得到的MoS2薄膜層數(shù)可控但結(jié)晶性較差.

圖2 MoS2薄膜的AFM圖像[31]

H2S和MoCl5是最早也是最常用的ALD法制備MoS2薄膜的前驅(qū)體，但同時(shí)各種不同的前驅(qū)體也被嘗試，例如，S、(NH4)2S及CH3S2CH3可作為S前驅(qū)體，Mo(CO)6、Mo(thd)3[29]、Mo(NMe2)4及MoF6[30]能夠作為Mo前驅(qū)體等.

黃亞洲等人[32]總結(jié)了不同前驅(qū)體對MoS2薄膜結(jié)構(gòu)的影響.金屬有機(jī)物具有高活性，可作為Mo-前驅(qū)體，同時(shí)其高活性決定了反應(yīng)一般需要在較低的溫度下進(jìn)行，導(dǎo)致得到的MoS2薄膜結(jié)晶度差，同時(shí)低溫還可能造成有機(jī)污染物殘留.值得注意的是，同樣是在較低的溫度進(jìn)行MoS2薄膜的制備，采用Mo(CO)6與H2S制備出的薄膜結(jié)晶度較低，但將作為S-前驅(qū)體的H2S進(jìn)行等離子處理后，能夠顯著提高其反應(yīng)活性，從而使薄膜的結(jié)晶度得到顯著提高[33].Mo(thd)3與H2S作為前驅(qū)體在Si襯底上生長納米晶體結(jié)構(gòu)MoS2薄膜時(shí)，反應(yīng)溫度可達(dá)300 ℃[29]，是迄今金屬有機(jī)化合物作為Mo-前驅(qū)體時(shí)的最高反應(yīng)溫度.除上述材料外，六甲基二硅硫烷(HDMST)用作Mo-前驅(qū)體在25 ℃就產(chǎn)生足夠的蒸汽壓，而MoCl5則需要達(dá)到115 ℃才能獲得足夠的蒸氣壓，之后在300 ℃下反應(yīng)沉積并通過S氣氛高溫(900 ℃)退火處理后，兩種前驅(qū)體均能夠得到結(jié)晶性和均勻性良好的薄膜.

3.3 溫度對MoS2薄膜質(zhì)量的影響

3.3.1 沉積溫度

ALD法制備MoS2薄膜時(shí)，MoS2的成核速率會顯著影響其生長模式，因此沉積溫度會對薄膜的生長狀態(tài)產(chǎn)生顯著影響，低溫下薄膜會進(jìn)行快速的垂直生長，而隨著溫度升高，成核速率會降低，緩慢的成核速率有利于橫向生長.較高的反應(yīng)溫度能提高反應(yīng)活性并改善MoS2薄膜的質(zhì)量，但過高的溫度不利于化學(xué)吸附，還會導(dǎo)致前驅(qū)體和官能團(tuán)的分解以及MoS2薄膜的再蒸發(fā)，進(jìn)而影響薄膜的質(zhì)量.因此ALD法制備MoS2薄膜時(shí)，需根據(jù)前驅(qū)體特性對沉積溫度進(jìn)行精確調(diào)控.

制備少層乃至單層MoS2薄膜時(shí)，為保證薄膜的致密度及均勻性，保證其生長模式為緩慢的橫向生長是必要的[34].較高的反應(yīng)溫度對前驅(qū)體的穩(wěn)定性要求較高，因此MoCl5和H2S是高溫生長MoS2薄膜比較理想的前驅(qū)體.Ahn等人[34]系統(tǒng)研究了沉積溫度和MoCl5前驅(qū)體溫度對MoS2生長的影響.結(jié)果表明，當(dāng)MoCl5前驅(qū)體溫度固定在100 ℃不變時(shí)，隨著沉積溫度由100 ℃上升到300 ℃， MoS2薄膜的橫向生長趨勢增強(qiáng).在沉積溫度為420 ℃時(shí)形成了以橫向?yàn)橹?2-3層)的生長趨勢.Browning等人[35]在不經(jīng)過退火處理的情況下，首次直接合成了MoS2薄膜.Huang等人[31]探究了反應(yīng)溫度為420～490 ℃時(shí)MoS2薄膜的生長情況，結(jié)果表明在430～470 ℃區(qū)間內(nèi)，隨著溫度升高，薄膜結(jié)晶度提高(圖3(d)-(e))，450 ℃時(shí)晶粒尺寸最大(圖3(a)-(c))，但當(dāng)溫度超過470 ℃后，可能是過高的溫度導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)物發(fā)生了分解，從而導(dǎo)致薄膜厚度減小，拉曼測試結(jié)果中特征峰消失，如圖3(f).

若要在較低反應(yīng)溫度下制備MoS2，則可優(yōu)先考慮具備較好反應(yīng)活性的有機(jī)前驅(qū)體.如用Mo(CO)6和H2S為前驅(qū)體時(shí)[36]，反應(yīng)溫度應(yīng)控制在155～175 ℃.當(dāng)溫度低于155 ℃時(shí)，表面反應(yīng)不完全，而高于175 ℃時(shí)，Mo(CO)6會發(fā)生熱分解形成無序堆積，從而使得膜厚增加.而選用Mo(NMe2)4和Mo(thd)3作為Mo-前驅(qū)體時(shí)，反應(yīng)溫度應(yīng)分別控制在60～120 ℃和275～325 ℃[29，37].

圖3 MoCl5和H2S作為前驅(qū)體時(shí)，Si襯底上以(a)420 ℃、(b)450 ℃和(c)480 ℃溫度生長100個(gè)周期的MoS2薄膜的AFM圖像.在不同溫度下，在Si襯底(d)和Al2O3襯底(e)上生長了100個(gè)周期的MoS2薄膜的拉曼光譜.(f)不同溫度下進(jìn)行100個(gè)生長周期得到的MoS2薄膜的厚度[31]

3.3.2 前驅(qū)體罐體溫度

除了沉積溫度，前驅(qū)體罐體溫度對MoS2的生長也有影響.Huang等人[31]研究了不同前驅(qū)體罐體溫度下生長的MoS2薄膜的質(zhì)量.他們通過提高M(jìn)oCl5罐的溫度，使其超過MoCl5的熔點(diǎn)(200 ℃)以獲得較高的MoCl5蒸氣壓.而Ahn等人在MoCl5罐體溫度由100 ℃上升到160 ℃的過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MoCl5罐體溫度為160 ℃時(shí)，樣品的PL譜在652 nm處出現(xiàn)與直接帶隙躍遷有關(guān)的PL峰，如圖4所示，這可能與單層MoS2薄膜有關(guān).升高罐體溫度會加劇自刻蝕效應(yīng)，引起沉積速率降低.

相較于CVD法，ALD法制備MoS2薄膜時(shí)反應(yīng)溫度較低，薄膜均勻但結(jié)晶性較差，選用金屬鹵化物作為Mo-前驅(qū)體時(shí)可有較高的窗口溫度，從而得到結(jié)晶度更高的薄膜.

圖4 引入Al種子層后薄膜隨MoCl5罐體溫度變化的PL光譜圖[34]

3.4 襯底對MoS2薄膜質(zhì)量的影響

3.4.1 襯底種類

Si、SiO2和藍(lán)寶石(Al2O3)等是ALD制備MoS2薄膜常用的襯底.SiO2和Al2O3作為氧化物，表面羥基的數(shù)目比Si更加豐富，因此更有利于第一個(gè)自限制反應(yīng)的發(fā)生[38].此外，Al2O3襯底具有六邊形結(jié)構(gòu)和平滑的c平面，可能會與2H型的MoS2有更好的晶格匹配，意味著MoS2薄膜與襯底間會有更小的應(yīng)力，更有利于晶核形成及薄膜生長.

實(shí)驗(yàn)證明，以MoCl5和H2S作為前驅(qū)體時(shí)，在Si、SiO2和Al2O3襯底上沉積1個(gè)周期，三種襯底上生長的MoS2薄膜都會出現(xiàn)一定的S元素缺失，其中Si襯底上薄膜中Mo與S的比率遠(yuǎn)小于1∶2，而Al2O3襯底上薄膜Mo和S的原子比接近1∶2.反應(yīng)循環(huán)次數(shù)由1次增加到10次的拉曼光譜圖及TEM結(jié)果如圖5(a)-(c)所示，由圖可見，在循環(huán)次數(shù)較少時(shí)(3個(gè)循環(huán)內(nèi))，Al2O3作為襯底制得的薄膜拉曼特征峰A1g更強(qiáng)，結(jié)晶性明顯優(yōu)于Si和SiO2襯底.經(jīng)過退火的Al2O3襯底上沉積的薄膜晶粒呈三角形貌[28]，邊緣清晰，表明結(jié)晶性良好(圖6(a)-(b)).隨著循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加，可看到Al2O3襯底上生長的薄膜較同條件下Si襯底上的更厚(圖6(c)-(d)).

圖5 在(a)Si、(b)SiO2和(c)Al2O3襯底上，進(jìn)行1～10次循環(huán)得到的MoS2薄膜的拉曼圖(插圖為相應(yīng)的△k值及TEM圖)[38]

圖6 800 ℃下退火處理后藍(lán)寶石襯底上生長的MoS2薄膜的(a)SEM與(b)AFM圖[28].(c)不同溫度下藍(lán)寶石襯底與Si襯底下生長的MoS2薄膜厚度[31].(d)不同周期下藍(lán)寶石與Si襯底上生長的MoS2薄膜厚度[31]

綜上所述，在常用的三種襯底中，Al2O3表面具有更多的羥基數(shù)、且與MoS2薄膜的晶格更匹配，更適合作為ALD法沉積MoS2薄膜的襯底材料.

3.4.2 襯底預(yù)處理

為了實(shí)現(xiàn)在保證MoS2質(zhì)量的同時(shí)提高沉積速率，可通過襯底預(yù)處理來提高襯底表面活性位點(diǎn)數(shù)量.襯底表面充足的活性位點(diǎn)可提高首次循環(huán)時(shí)前驅(qū)體的吸附率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)MoS2薄膜在二維生長模式下的均勻成膜.因此，對于單層或少層MoS2薄膜的生長，襯底的預(yù)處理至關(guān)重要.

首次循環(huán)時(shí)前一個(gè)半反應(yīng)一般是通過與襯底表面的分離羥基反應(yīng)吸附的，酸洗和等離子處理等方法都可以提高襯底表面的羥基密度，也可以在襯底表面覆蓋富含羥基的種子層以提高表面羥基的密度[32].

圖7 (a)DFT計(jì)算的MoCl5吸附在SiO2(中間)和Al(右邊)表面時(shí)相對于自由態(tài)(左邊)的相對總能量[34].(b)引入Al種子層后薄膜隨MoCl5罐溫度變化的PL譜[34].未引入Al種子層(c)及引入Al種子層(d)薄膜隨MoCl5罐溫度變化的拉曼光譜[34]

除了提高襯底表面羥基的密度外，還可在襯底表面引入一層超薄(約5 nm)的Al種子層以促進(jìn)早期MoCl5在襯底表面的吸附[34].DFT基能量計(jì)算證實(shí)了MoCl5在Al上的吸附比在SiO2上更容易，如圖7(a)所示，引入Al種子層后薄膜結(jié)晶度提高并實(shí)現(xiàn)了單一橫向生長模式，制備過程中薄膜層數(shù)及其可控性顯著提高.

襯底預(yù)處理前后的微觀表面結(jié)構(gòu)也直接影響MoS2薄膜的生長.圖8(a)[39]為在刻蝕及無刻蝕的Si/SiO2襯底上生長的MoS2薄膜的拉曼光譜.由圖可知，經(jīng)刻蝕后Si/SiO2襯底上所得的MoS2薄膜的結(jié)晶度明顯提高.這可能是由于刻蝕殘留的光刻膠能夠作為額外的成核位點(diǎn)，增強(qiáng)了MoS2薄膜在SiO2未刻蝕區(qū)域的生長.張艷峰課題組發(fā)展了基于多晶Au箔的制備體系，在多晶Au箔上實(shí)現(xiàn)了尺寸可調(diào)的單層MoS2薄膜的制備[40].隨后，他們通過熔融-固化法將多晶Au箔轉(zhuǎn)化為Au(111)薄膜，并以此作為襯底，獲得了晶圓級單晶單層MoS2薄膜.與多晶Au箔不同的是，Au(111)表面的臺階對MoS2晶疇生長有誘導(dǎo)作用，從而使MoS2沿著<110>臺階邊緣成核并能夠單一取向的生長[41](如圖8(c)).2021年，Liu等人[42]通過對藍(lán)寶石襯底表面進(jìn)行一個(gè)小角度切割，形成小臺階，打破a平面藍(lán)寶石的C2對稱性，誘導(dǎo)WS2進(jìn)行島的單向?qū)R(圖8(b))，實(shí)現(xiàn)了單晶單層薄膜的外延生長.這種雙耦合機(jī)制也應(yīng)適用于在絕緣襯底上生長其他單晶TMD材料，包括MoS2和WSe2等.

圖8 (a) 375 ℃下在SiO2/Si晶圓基底微信的蝕刻和非蝕刻區(qū)域上沉積的ALD MoS2薄膜的拉曼圖[39]. (b)WS2單晶高分辨力原子力顯微鏡(AFM)圖像[42]. (c)Au(111)誘導(dǎo)MoS2單一取向生長示意圖[41]

3.5 退火處理對MoS2薄膜質(zhì)量的影響

二維晶圓級MoS2薄膜的電子特性與單晶比還有很大差距，為使二維MoS2薄膜的電子特性接近理論值，還需探索在晶圓尺度上獲得單晶結(jié)構(gòu)的新途徑.通常，用ALD法制備MoS2薄膜時(shí)一般不會采用很高的反應(yīng)溫度，但這會影響到薄膜的結(jié)晶度.為解決這一關(guān)鍵問題，需要對薄膜進(jìn)行退火處理.

Ahn等人[34]通過引入超薄Al種子層的方法，制備了結(jié)晶性良好的單層-雙層MoS2薄膜，組裝成結(jié)構(gòu)為圖9(a)所示的場效應(yīng)晶體管，該器件并沒有表現(xiàn)出滿意的晶體管性能.但經(jīng)過后續(xù)的退火處理，器件性能得到了顯著改善，如圖9(b)所示.

圖9 (a)場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖.(b)退火前后晶體管電學(xué)性能對比[34]

覆蓋層退火工藝(CLAP)也可用于改善薄膜質(zhì)量[43]，能夠在避免MoS2呈織構(gòu)化的同時(shí)消除缺陷，以此獲得高質(zhì)量單晶二維MoS2薄膜.實(shí)驗(yàn)表明，單晶薄膜制備的場效應(yīng)晶體管的電子遷移率是織構(gòu)型的15倍，呈現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景.

4 總結(jié)與展望

二維MoS2薄膜在半導(dǎo)體領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，未來也將作為構(gòu)建垂直結(jié)構(gòu)晶體管和包括太陽電池在內(nèi)的各類光電器件的重要材料，而實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用的關(guān)鍵在于對其高質(zhì)量且可控的制備.ALD是一種制備MoS2薄膜的重要方法，但迄今還未實(shí)現(xiàn)晶圓級單晶MoS2薄膜的生長，從前驅(qū)體、沉積工藝參數(shù)到退火及襯底預(yù)處理等均存在大量亟待解決的問題：(1)合適的有機(jī)前驅(qū)體的探索；(2)對襯底表面進(jìn)行不同的預(yù)處理，以提升晶格匹配及減小應(yīng)力，誘導(dǎo)晶疇實(shí)現(xiàn)取向生長；(3)不同退火工藝如微波加熱退火和快速光熱退火等對MoS2薄膜的結(jié)晶性能和微結(jié)構(gòu)的影響.

目前，硅基微納器件已基本達(dá)到理論極限，新型半導(dǎo)體材料的研究迫在眉睫，而層狀MoS2的天然半導(dǎo)體優(yōu)勢有望能夠滿足這一需求，ALD對制備大面積高質(zhì)量MoS2薄膜十分有利，隨著制備技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，MoS2薄膜的質(zhì)量將得到不斷提升，其應(yīng)用也將不斷擴(kuò)展.