本公開涉及二維(2D)材料結構，更具體地，涉及包括在基板上垂直地排列的2D材料結構的裝置和/或在基板上形成垂直地排列的2D材料結構的方法。

背景技術：

晶體管，諸如用于執(zhí)行電氣開關功能的半導體器件，已經被用于各種半導體產品諸如存儲器或者驅動集成電路(IC)。隨著半導體器件的尺寸減小，可自一個晶片獲得的半導體器件的數(shù)目增加。此外，因為半導體器件的驅動速度變快，所以已經積極地進行了減小半導體器件的尺寸的研究。

在晶體管的情況下，因為具有平坦結構的金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)在減小其尺寸方面存在限制，所以已經廣泛地進行了關于具有三維結構的鰭型場效應晶體管(FinFET)的研究以實現(xiàn)精細器件。

技術實現(xiàn)要素：

示例實施方式涉及垂直地排列在基板上的二維(2D)材料結構和/或形成垂直地排列在基板上的2D材料結構的方法。

附加的方面將在隨后的描述中部分地闡述，并且部分地將由該描述清楚，或者可以通過示例實施方式的實踐而習知。

根據(jù)示例實施方式，一種晶體管包括：基板；二維材料結構，包括基本上垂直地排列在基板上的至少一層，使得所述至少一層的邊緣在基板上并且所述至少一層基本上垂直于基板延伸；源電極和漏電極，連接到二維材料結構的相反端；在源電極和漏電極之間的二維材料結構上的柵絕緣層；和在柵絕緣層上的柵電極。所述至少一層的每個包括具有二維晶體結構的半導體。

在示例實施方式中，二維材料結構可以包括基本上垂直于基板排列的多個層。所述多個層可以彼此平行。

在示例實施方式中，二維材料結構可以包括上表面和側表面。柵絕緣層 和柵電極可以在二維材料結構的上表面和側表面上。

在示例實施方式中，二維材料結構可以包括硫屬化物。

根據(jù)示例實施方式，氣體傳感器包括：基板；能夠吸附期望的氣體的至少一個二維材料結構，每個二維材料結構包括基本上垂直地排列在基板上的至少一層，使得所述至少一層的邊緣在基板上并且所述至少一層基本上垂直于基板延伸，所述至少一層的每個包括具有二維晶體結構的半導體；以及第一電極和第二電極，連接到二維材料結構的相反端。

在示例實施方式中，氣體傳感器可以還包括接觸基板的加熱器。加熱器可以配置為通過加熱所述至少一個二維材料結構而去除吸附到二維材料結構上的期望的氣體。

在示例實施方式中，二維材料結構可以包括基本上垂直于基板排列的多個層。所述多個層可以彼此平行。

在示例實施方式中，二維材料結構可以包括硫屬化物。

根據(jù)示例實施方式，形成二維材料結構的方法包括：在基板上形成引導圖案層，引導圖案層包括暴露基板上的過渡金屬層的溝槽；以及從過渡金屬層的通過溝槽暴露的部分在基板上生長二維材料結構。生長二維材料結構可以包括利用化學氣相沉積方法。

在示例實施方式中，二維材料結構可以包括基本上垂直地排列在基板上的至少一層，使得所述至少一層的邊緣在基板上并且所述至少一層基本上垂直于基板延伸。所述至少一層的每個可以包括具有二維晶體結構的半導體。

在示例實施方式中，二維材料結構可以包括基本上垂直于基板排列的多個層。所述多個層可以彼此平行。

在示例實施方式中，形成引導圖案層可以包括：在基板上沉積過渡金屬層；在過渡金屬層上形成引導圖案層；以及在引導圖案層中形成溝槽。溝槽可以暴露過渡金屬層的所述部分。

在示例實施方式中，形成引導圖案層可以包括：在基板上形成引導圖案層；在引導圖案層中形成溝槽使得溝槽暴露基板；以及在基板的通過溝槽暴露的表面上沉積過渡金屬層。

在示例實施方式中，過渡金屬層可以具有大約3nm至大約12nm的厚度。

在示例實施方式中，溝槽可以具有大約10nm或更小的寬度。

根據(jù)示例實施方式，一種形成二維材料結構的方法包括：在基板上形成 引導圖案層，引導圖案層具有相對于基板的表面基本上垂直的側表面，以及在引導圖案層的側表面上生長二維材料結構。

在示例實施方式中，二維材料結構可以包括基本上垂直地排列在基板上的至少一層。所述至少一層的邊緣可以在基板上并且所述至少一層可以基本上垂直于基板延伸。所述至少一層的每個可以包括具有二維晶體結構的半導體。

在示例實施方式中，形成二維材料結構可以包括：沉積過渡金屬層以覆蓋引導圖案層和基板；蝕刻過渡金屬層以允許過渡金屬層僅保留在引導圖案層的側表面上；以及利用化學氣相沉積方法從過渡金屬層形成二維材料結構。

在示例實施方式中，過渡金屬層可以具有小于大約3nm的厚度。

在示例實施方式中，形成二維材料結構可以包括：利用化學氣相沉積方法沉積二維材料結構以覆蓋引導圖案層和基板；以及蝕刻二維材料結構以允許二維材料結構僅保留在引導圖案層的側表面上。

根據(jù)發(fā)明構思的示例實施方式，一種裝置可以包括：基板；在基板上的二維材料結構；以及在基板上彼此間隔開的第一電極和第二電極。二維材料結構可以包括具有寬度大于厚度的至少一層并且被布置為使得所述至少一層的寬度基本上垂直于基板延伸。所述至少一層的每個包括具有二維晶體結構的半導體。第一電極和第二電極可以連接到二維材料結構的相反端。

在示例實施方式中，該裝置可以還包括在第一電極和第二電極之間的二維材料結構上的柵絕緣層以及在柵絕緣層上的柵電極。柵電極可以與第一電極和第二電極間隔開。

在示例實施方式中，該裝置可以還包括連接到基板的加熱器。二維材料結構可以在加熱器上方。氣體可以能夠被吸附到二維材料結構。加熱器可以配置為通過加熱二維材料結構而去除被吸附到二維材料結構的氣體。

在示例實施方式中，二維材料結構可以包括硫屬化物。

在示例實施方式中，二維材料結構可以包括基本上垂直于基板排列的多個層。所述多個層可以彼此平行。

附圖說明

通過如附圖所示出的發(fā)明構思的非限制實施方式的具體說明，發(fā)明構思 的上述及其它特征將是明顯的，在附圖中相同的附圖標記在不同視圖中始終指代相同部件。附圖不一定按比例繪制，而是重點在于示出發(fā)明構思的原理。在附圖中：

圖1是根據(jù)示例實施方式的晶體管的透視圖；

圖2是沿圖1的線II-II'截取的截面圖；

圖3是沿圖1的線III-III'截取的截面圖；

圖4A至4D示出根據(jù)示例實施方式的形成二維(2D)材料的方法；

圖5A至5D示出根據(jù)示例實施方式的形成2D材料結構的方法；

圖6A至6C示出根據(jù)示例實施方式的形成2D材料結構的方法；

圖7A至7C示出根據(jù)示例實施方式的制造晶體管的方法；

圖8A至8D示出根據(jù)示例實施方式的形成2D材料結構的方法；

圖9A至9C示出根據(jù)示例實施方式的形成2D材料結構的方法；

圖10A至10D示出根據(jù)示例實施方式的制造晶體管的方法；

圖11是根據(jù)示例實施方式的氣體傳感器的透視圖；

圖12是沿圖11的線XII-XII'截取的截面圖；

圖13是根據(jù)示例實施方式的氣體傳感器的透視圖；

圖14是沿圖13的線XIV-XIV'截取的截面圖；以及

圖15A至15D示出根據(jù)示例實施方式的制造晶體管的方法的部分。

具體實施方式

現(xiàn)在將參考附圖更充分地描述示例實施方式，在附圖中示出了一些示例實施方式。然而，示例實施方式可以實施為許多不同的形式且不應該理解為限于在此闡述的實施方式；而是，提供這些實施方式使得本公開將全面和完整，并將向本領域的普通技術人員充分傳達發(fā)明構思的示例實施方式的范圍。在附圖中，為了清晰，夸大了層和區(qū)域的厚度。在附圖中，相同的參考標記和/或數(shù)字表示相同的元件，因此可以不重復它們的說明。

將理解，當一元件被稱為“連接到”或“聯(lián)接到”另一元件時，它可以直接連接到或聯(lián)接到另一元件，或者可以存在插入元件。相反，當一元件被稱為“直接連接”或者“直接聯(lián)接”到另一元件時，沒有插入元件存在。用于描述元件或層之間的關系的其它詞應該以相似的方式解釋(例如，“在……之間”和“直接在……之間”、“相鄰”和“直接相鄰”、“在……上” 和“直接在……上”)。如里所用的，術語“和/或”包括一個或多個相關所列項目的任何及所有組合。

將理解，雖然術語“第一”、“第二”等等可以在此使用以描述各種元件、部件、區(qū)域、層和/或部分。但是這些元件、部件、區(qū)域、層和/或部分不應受這些術語限制。這些術語僅用于區(qū)分一個元件、部件、區(qū)域、層或部分與另一元件、部件、區(qū)域、層或部分。因此，在下面討論的第一元件、部件、區(qū)域、層或部分可以被稱為第二元件、部件、區(qū)域、層或部分，而不背離示例實施方式的教導。

為了便于描述，空間關系術語，諸如“在……之下”、“在……下面”、“下”、“上面”、“上”等等，在這里可以用于描述一個元件或特征與其它(諸)元件或特征如圖中所示的關系。將理解，空間關系術語旨在包括除圖中所示的取向之外器件在使用或操作中的不同的取向。例如，如果在附圖中的器件被翻轉，則被描述為“在”其它元件或特征“下面”或“之下”的元件將取向為在其它元件或特征“之上”。因此，術語“在……下面”可以包括之上和之下兩個取向。器件可以被不同地取向(旋轉90度或在其它取向)，相應地解釋這里使用的空間關系描述符。

在此使用的術語僅僅是為了說明特定實施方式的目的，而非旨在限制示例實施方式。如在此使用的，單數(shù)形式“一”和“該”旨在也包括復數(shù)形式，除非上下文清楚地另外指示。將進一步理解，術語“包括”和/或“包含”，如果在此被使用，表明存在所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或部件，但是不排除一個或多個其它特征、整體、步驟、操作、元件、部件和/或其組的存在或添加。當諸如“……中的至少一個”的表述在一列元件之后時，修飾整列元件而不修飾該列中的個別元件。

在此參考截面圖描述了示例實施方式，該截面圖是示例實施方式的理想化實施方式(及中間結構)的示意圖。因而，例如由制造技術和/或公差引起的圖示形狀的偏離是可能發(fā)生的。因此，示例實施方式不應該被理解為限于在此示出的區(qū)域的特定形狀，而是將包括例如由制造引起的形狀的偏差。例如，被示為矩形的蝕刻區(qū)域或者注入區(qū)域可以具有圓化或者彎曲的特征。因此，在附圖中示出的區(qū)域本質上是示意性的，它們的形狀并非要示出器件的區(qū)域的實際形狀，而且并非旨在限制示例實施方式的范圍。

除非另外限定，否則在此使用的所有術語(包括技術術語和科學術語) 具有與示例實施方式所屬領域的普通技術人員通常理解的相同含義。將進一步理解，術語，諸如那些在通用詞典中限定的術語，應該被理解為具有與它們在相關技術的語境中的含義一致的含義，而不應被理解為理想化或過度形式化的含義，除非在此明確地如此限定。

現(xiàn)在將詳細參考包括金屬-二維材料-半導體的接觸的半導體裝置，其示例在附圖中示出，其中相同的附圖標記始終指代相同的元件。此外，為了說明的方便和清晰起見，附圖中示出的每個層的尺寸可以被夸大。在這點上，示例實施方式可以具有不同的形式且不應被理解為限于在此闡述的說明。因此，通過參照附圖在以下描述的示例實施方式僅僅是用于說明發(fā)明構思的多個方面的非限制示例。在層結構中，當組成元件設置“在”另一組成元件“上方”或“上”時，該組成元件可以僅直接在另一組成元件上或者以非接觸方式在另一組成元件上方。

圖1是根據(jù)示例實施方式的晶體管100的透視圖。圖2是沿圖1的線II-II'截取的截面圖。圖3是沿圖1的線III-III'截取的截面圖。圖1至3中示出的晶體管100可以包括鰭型場效應晶體管(FinFET)。

參照圖1至3，晶體管100可以包括基板110、提供在基板110上的二維(2D)材料結構120、提供在2D材料結構120的相反側的源電極141和漏電極142、以及順序地形成在2D材料結構120上的柵絕緣層125和柵電極130。

基板110可以是絕緣材料形成在其上的半導體基板。例如，基板110可以是氧化物層形成在其上的硅基板。然而，示例實施方式不限于此，因此可以使用各種材料的基板。用作溝道材料的2D材料結構120可以提供在基板110的上表面上。2D材料結構120表示具有2D形狀的晶體結構的半導體材料，并且可以具有單層結構或者多層結構。形成2D材料結構的每個層可以具有原子級的厚度。形成2D材料結構120的層可以通過范德華鍵連接。

在示例實施方式中，形成2D材料結構120的各個層基本上相對于基板110垂直地排列。換言之，如圖2所示，2D材料結構120的每個層可以具有比其厚度大的寬度。為了相對于基板110基本上垂直地排列，層的邊緣可以由層的厚度限定并且層的邊緣可以在基板110上同時層在垂直于基板的寬度方向上延伸。術語“基本上垂直地”表示“精確地垂直地”或者“幾乎垂直地”。2D材料結構120可以具有寬度W，例如，大約10nm或更小(例如， 大于0nm并且小于或等于大約10nm)。然而，本公開不限于此。此外，形成2D材料結構120的層的數(shù)目可以是大約一個或者一些。例如，形成2D材料結構120的層的數(shù)目可以在一個至十個和/或一個至五個的范圍中。然而，這僅僅是非限制示例，2D材料結構120可以包括比以上所述更多的層。此外，當2D材料結構120包括多個層時，層可以方向性地平行于彼此布置。

2D材料結構120是可以應用于各種裝置的材料，因為它具有優(yōu)異的電特性并且即使當厚度減小到納米級時也可以保持高遷移率而在其特性上沒有大的變化。例如，2D材料結構120可以包括硫屬化物，例如過渡金屬二硫屬化物(TMD)。TMD是具有2D晶體結構的半導體材料，并且可以包括例如過渡金屬Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc和Re中的其中之一以及硫屬元素S、Se和Te中的其中之一。TMD可以由例如MX₂表示，其中“M”表示過渡金屬，“X”表示硫屬元素。例如，“M”可以是Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc或Re，“X”可以是S、Se或Te。因此，例如，TMD可以包括MoS₂、MoSe₂、MoTe₂、WS₂、WSe₂、WTe₂、ZrS₂、ZrSe₂、HfS₂、HfSe₂、NbSe₂或ReSe₂。備選地，硫屬化物可以不由MX₂表示。在這種情況下，例如，硫屬化物包括CuS，其是過渡金屬Cu和硫屬元素S的化合物。備選地，硫屬化物可以是包括非過渡金屬的硫屬化物材料。該非過渡金屬可以包括例如Ga、In、Sn、Ge或Pb。在這種情況下，硫屬化物可以包括非過渡金屬諸如Ga、In、Sn、Ge或Pb和硫屬元素諸如S、Se或Te的化合物。例如，硫屬化物可以包括SnSe₂、GaS、GaSe、GaTe、GeSe、In₂Se₃或InSnS₂。

綜上所述，硫屬化物可以包括金屬元素Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb中的其中之一以及硫屬元素S、Se和Te中的其中之一。然而，上述材料僅僅是非限制示例，其它材料可以被用作硫屬化物材料。

2D材料結構120可以摻雜有p型摻雜劑或者n型摻雜劑以控制遷移率。例如，用于石墨烯或者碳納米管(CNT)的p型摻雜劑和n型摻雜劑可以被用作p型摻雜劑和n型摻雜劑。p型摻雜劑或者n型摻雜劑可以通過離子注入方法或者化學摻雜方法而被摻雜。

p型摻雜劑的源例如可以包括諸如NO₂BF₄、NOBF₄或者NO₂SbF₆的離子液體，諸如HCl、H₂PO₄、CH₃COOH、H₂SO₄或者HNO₃的酸性化合物，或者諸如二氯二氰基苯醌(DDQ)、過硫酸氫鉀制劑(oxone)、二肉豆蔻酰磷脂 酰肌醇(dimyristoylphosphatidylinositol，DMPI)或者三氟甲烷磺酰亞胺(trifluoromethanesulfoneimide)的有機化合物。備選地，p型摻雜劑的源可以包括HPtCl₄、AuCl₃、HAuCl₄、三氟甲烷磺酸銀(silvertrifluoromethanesulfonate，AgOTf)、AgNO₃、H₂PdCl₆、Pd(OAc)₂或者Cu(CN)₂。

n型摻雜劑的源例如可以包括：取代的或者未取代的煙酰胺的還原產物；被化學健合到取代的或者未取代的煙酰胺的化合物的還原產物；以及包括至少兩個吡啶基團(moieties)的化合物，其中吡啶基團中的至少一個的氮原子減少。例如，n型摻雜劑的源可以包括：煙酰胺單核苷酸-H(NMNH)、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸-H(NADH)、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸-H(NADPH)或者紫精(viologen)。此外，n型摻雜劑的源可以包括聚合物諸如聚乙烯亞胺(PEI)。此外，n型摻雜劑可以包括堿金屬諸如K或者Li。備選地，上述p型摻雜劑和n型摻雜劑材料是非限制示例，其它各種材料可以用作摻雜劑。

源電極141和漏電極142提供在基板110上。源電極141和漏電極142可以電連接到2D材料結構120的相反端。源電極141和漏電極142可以包括表現(xiàn)出優(yōu)異的導電性的金屬材料，例如Ag、Au、Pt或者Cu。然而，示例實施方式不限于此。

柵絕緣層125提供在源電極141和漏電極142之間的2D材料結構120上。柵絕緣層125可以覆蓋2D材料結構120的上表面和側表面。柵絕緣層125可以包括例如硅氧化物、硅氮化物、鋁氧化物、鉿氧化物或者絕緣聚合物。然而，這是非限制示例，并且柵絕緣層125可以包括各種絕緣材料。

柵電極130提供在柵絕緣層125上。柵電極130可以相應于2D材料結構120的上表面和側表面提供。類似于源電極141和漏電極142，柵電極130可以包括表現(xiàn)出優(yōu)異的導電性的金屬材料，例如Ag、Au、Pt或者Cu。然而，示例實施方式不限于此。

在Si基FinFET的情況下，當硅的厚度減小到幾納米或更小時，硅中的載流子數(shù)目減少，因此電子遷移率也減小。然而，在示例實施方式中，即使當厚度減小到幾納米或更小時，被用作溝道材料的2D材料結構120也可以保持高電子遷移率。此外，當由金屬形成的源電極141和漏電極142與2D材料結構120的表面上的層平行地接觸時，金屬和2D材料結構120之間的接觸電阻由于接觸面積的增加而增加。然而，在示例實施方式中，由于形成2D材料結構120的層垂直地接觸由金屬形成的源電極141和漏電極142，所 以金屬和2D材料結構120之間的接觸電阻可以減小。此外，當僅2D材料結構120的表面上的層與源電極141和漏電極142接觸時，2D材料結構120的所述層之間的串聯(lián)電阻顯著地增加。然而，在示例實施方式中，因為形成2D材料結構120的所有層與源電極141和漏電極142接觸，所以在2D材料結構120的所述層之間產生的串聯(lián)電阻可以減小。

如上所述，在示例實施方式中，可以通過將用作溝道材料的2D材料結構120與基板110垂直地排列并且將形成2D材料結構120的層以期望的(和/或備選地，預定的)方向性彼此平行地布置而實現(xiàn)具有優(yōu)異性能的精細尺寸的晶體管，例如，具有大約10nm或更小的精細溝道寬度的FinFET。

圖4A至4D示出根據(jù)示例實施方式的形成2D材料結構的方法。

參照圖4A，在制備基板210之后，過渡金屬層212沉積在基板210上至期望的(和/或備選地，預定的)厚度t1。過渡金屬層212可以沉積至特定厚度或更大以允許2D材料結構(圖4D中的220)從基板210垂直地生長，如下文所述。同時，當過渡金屬層212具有小于該特定厚度的厚度時，可以形成平行于基板210排列的2D材料結構。在示例實施方式中，過渡金屬層212可以具有大約3nm至大約12nm的厚度t1以形成在基板210上垂直地排列的2D材料結構220。然而，示例實施方式不限于此。

參照圖4B，包括溝槽214a(例如，開口)的引導圖案層214形成在過渡金屬層212中。首先，引導圖案層214覆蓋過渡金屬層212。引導圖案層214可以包括對于過渡金屬層212沒有反應性的材料，例如，絕緣材料。接著，通過以期望的(和/或備選地，預定的)形狀圖案化引導圖案層214，暴露過渡金屬層212的溝槽214a具有期望的(和/或備選地，預定的)寬度w1。引導圖案層214中形成的溝槽214a可以引導將在后面說明的形成圖4D的2D材料結構220的多個層，使其以期望的(和/備選地，預定的)方向性彼此平行地生長。溝槽214a的寬度w1可以等于或小于大約10nm。然而，示例實施方式不限于此。

參照圖4C和4D，與基板210垂直地排列的2D材料結構220從通過溝槽214A暴露的過渡金屬層212而形成在溝槽214A內。2D材料結構220可以包括相對于基板210垂直地排列的多個層并且所述層可以有方向性地并且彼此平行地形成。

如上所述，2D材料結構220可以表示具有2D晶體結構的半導體材料。 2D材料結構220可以包括硫屬化物，例如TMD。例如，硫屬化物可以包括金屬元素Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb中的其中之一以及硫屬元素S、Se和Te中的其中之一。然而，上述材料僅僅是非限制示例并且其它材料可以被用于硫屬化物。同時，2D材料結構220可以摻雜有雜質。例如，2D材料結構220可以摻雜有p型摻雜劑或者n型摻雜劑。例如，被用于石墨烯或者碳納米管(CNT)的p型摻雜劑和n型摻雜劑可以用作p型摻雜劑和n型摻雜劑。

2D材料結構220可以通過化學氣相沉積(CVD)方法形成，具體地，通過熱CVD方法形成。在基板210上形成垂直地排列的2D材料結構220的熱CVD方法在以下被描述。在下面的說明中，由Mo過渡金屬層212形成在基板210上垂直地排列的MoS₂2D材料結構220的情況被描述作為示例。

首先，參照圖4C，在管式爐(未示出)內提供圖4B中示出的結構和硫磺粉250。接著，當硫磺粉250被加熱到期望的(和/或備選地，預定的)溫度時，例如被加熱到大約600℃至大約1000℃時，硫磺粉250被氣化并且硫磺蒸氣與惰性氣體例如Ar的流動一起移動到溝槽214a中。接著，流入溝槽214a中的硫磺流通過接觸Mo過渡金屬層212而產生硫化，因此，如圖4D所示，MoS₂2D材料結構220在溝槽214a內生長。當硫磺粉250被加熱時，管式爐(未示出)的工藝溫度可以是大約600℃至大約1000℃。

在MoS₂2D材料結構220的生長中，如上所述，因為Mo過渡金屬層212被沉積至期望的(和/或備選地，預定的)厚度t1，所以包括相對于基板210垂直地排列的多個層的MoS₂2D材料結構220可以形成在溝槽214a中。此外，形成MoS₂2D材料結構220的層可以通過形成在引導圖案層214中的溝槽214a而形成為具有期望的(和/或備選地，預定的)方向性并且彼此平行。在溝槽214a中垂直地排列的2D材料結構220可以具有大約為過渡金屬層212的厚度t1的兩倍的高度，但是示例實施方式不限于此。

同時，如圖4D所示，在2D材料結構220在溝槽214a內形成在基板210上之后，在2D材料結構220周圍的過渡金屬層212和引導圖案層214可以被去除。因此，僅垂直地排列的2D材料結構220會保留在基板210上。

圖5A至5D示出根據(jù)示例實施方式的形成2D材料結構的方法。

參照圖5A，在制備基板310之后，包括溝槽314a(例如開口)的引導圖案層314形成在基板310上。首先，引導圖案層314覆蓋基板310。引導 圖案層314可以包括例如絕緣材料。接著，通過圖案化引導圖案層314，暴露基板310的溝槽314a具有期望的(和/或備選地，預定的)寬度w2。形成在引導圖案層314中的溝槽314a可以引導將要在后面說明的形成圖5D的2D材料結構320的多個層，以使其形成為具有期望的(和/或備選地，預定的)方向性并且彼此平行。例如，溝槽314a可以具有大約10nm或更小的寬度。然而，示例實施方式不限于此。

參照圖5B，過渡金屬層312被沉積在通過溝槽314a暴露的基板310上。形成在溝槽314a中的過渡金屬層312可以被沉積至期望的(和/或備選地，預定的)厚度t2以相對于基板310垂直地生長2D材料結構320，如下文所述。例如，過渡金屬層312可以被沉積至大約3nm至大約12nm的厚度t2。然而，示例實施方式不限于此。所沉積的過渡金屬層312可以通過溝槽314a被暴露。

參照圖5C和5D，相對于基板310在溝槽314a內垂直地排列的2D材料結構320從通過溝槽314a暴露的過渡金屬層312形成。2D材料結構320可以包括相對于基板310垂直地排列的多個層，所述層可以形成為具有期望的(和/或備選地，預定的)方向性并且彼此平行。

如上所述，2D材料結構320可以包括硫屬化物，例如TMD。例如，硫屬化物可以包括金屬元素Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb中的其中之一以及硫屬元素S、Se和Te中的其中之一。然而，示例實施方式不限于此。同時，2D材料結構320可以摻雜有雜質。

2D材料結構320可以通過CVD方法形成，具體地，通過熱CVD方法形成。通過熱CVD方法在基板310上形成垂直地排列的2D材料結構320的方法在以下被描述。在下面的說明中，自Mo過渡金屬層312形成在基板310上垂直地排列的MoS₂2D材料結構320的情況被描述作為示例。

首先，參照圖5C，在管式爐(未示出)內提供圖5B中示出的結構和硫磺粉350。接著，當硫磺粉350被加熱到期望的(和/或備選地，預定的)溫度時，例如被加熱到大約600℃至大約1000℃時，硫磺粉350被氣化并且硫磺蒸氣與惰性氣體(例如Ar)的流動一起移動到溝槽314a中。接著，流入溝槽314a中的硫磺流通過接觸Mo過渡金屬層312而產生硫化，因此，如圖5D所示，MoS₂2D材料結構320在溝槽314a內生長。當硫磺粉350被 加熱時，管式爐(未示出)的工藝溫度可以是大約600℃至大約1000℃。

在MoS₂2D材料結構320的生長中，如上所述，因為Mo過渡金屬層312被沉積至期望的(和/或備選地，預定的)厚度t2，所以生長在溝槽314a內的MoS₂2D材料結構320可以包括相對于基板310垂直地排列的多個層。此外，形成MoS₂2D材料結構320的層可以通過形成在引導圖案層314中的溝槽314a而形成為具有期望的(和/或備選地，預定的)方向性并且彼此平行。在溝槽314a中垂直地排列的2D材料結構320可以具有大約為過渡金屬層312的厚度的兩倍的高度，但是示例實施方式不限于此。

同時，如圖5D所示，在形成在溝槽314a內垂直地排列的2D材料結構320之后，在2D材料結構320周圍的引導圖案層314可以被去除。因此，僅垂直地排列的2D材料結構320會保留在基板310上。

圖6A至6C示出根據(jù)示例實施方式的形成2D材料結構的方法。

參照圖6A，在制備基板410之后，在基板410上形成具有期望的(和/或備選地，預定的)寬度w3和期望的(和/或備選地，預定的)厚度t3的過渡金屬層412。過渡金屬層412可以被形成如下。首先，過渡金屬層412被沉積為覆蓋基板410。過渡金屬層412可以被沉積至期望的(和/或備選地，預定的)厚度t3，以生長將在后面說明的垂直地位于基板410上的2D材料結構420。例如，過渡金屬層412可以沉積至期望的(和/或備選地，預定的)大約3nm至大約12nm的厚度t3。然而，示例實施方式不限于此。接著，具有期望的(和/或備選地，預定的)寬度w3的過渡金屬層412通過圖案化工藝形成在基板410上。過渡金屬層412可以具有例如大約10nm或更小的寬度w3，但是示例實施方式不限于此。

參照圖6B和6C，在基板410上垂直地排列的2D材料結構420自形成在基板410上的具有期望的(和/或備選地，預定的)寬度w3和期望的(和/或備選地，預定的)厚度t3的過渡金屬層412形成。2D材料結構420可以包括相對于基板410垂直地排列的多個層，所述層可以形成為具有期望的(和/或備選地，預定的)方向性并且彼此平行。

如上所述，2D材料結構420可以包括硫屬化物，例如TMD。例如，硫屬化物可以包括金屬元素Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb中的其中之一以及硫屬元素S、Se和Te中的其中之一。然而，示例實施方式不限于此。備選地，2D材料結構420可以摻雜有 雜質。

2D材料結構420可以通過CVD方法形成，具體地，通過熱CVD方法形成。通過熱CVD方法形成在基板410上垂直地排列的2D材料結構420的方法描述如下。在下面的說明中，自Mo過渡金屬層412形成在基板410上垂直地排列的MoS₂2D材料結構420的情況被描述作為示例。

首先，參照圖6B，圖6A中示出的結構和硫磺粉450被提供在管式爐(未示出)內。接著，當硫磺粉450被加熱到期望的(和/或備選地，預定的)溫度時，例如被加熱到大約600℃至大約1000℃時，硫磺粉450被氣化并且硫磺蒸氣與惰性氣體例如Ar的流動一起移動以接觸產生硫化的Mo過渡金屬層412。因此，如圖6C所示，MoS₂2D材料結構420生長。當硫磺粉450被加熱時，管式爐(未示出)的工藝溫度可以是大約600℃至大約1000℃。

在MoS₂2D材料結構420的生長中，因為Mo過渡金屬層412被沉積至期望的(和/或備選地，預定的)厚度t3，所以MoS₂2D材料結構420可以包括相對于基板410垂直地排列的多個層。此外，因為過渡金屬層412具有期望的(和/或備選地，預定的)寬度w3，例如大約10nm或更小，所以形成MoS₂2D材料結構420的層可以形成為具有期望的(和/或備選地，預定的)方向性并且彼此平行。

圖7A至7C示出根據(jù)示例實施方式的制造晶體管的方法。

參照圖7A，垂直地排列的2D材料結構520形成在基板510上。例如其上形成氧化物層的硅基板可以被用作基板510。然而，示例實施方式不限于此，并且因此，可以使用由其它各種材料形成的基板。包括相對于基板510垂直地排列的至少一層的2D材料結構520被提供在基板510的上表面上。因為2D材料結構520在以上被描述，所以其詳細說明被省略。

參照圖7B，柵絕緣層525被沉積在基板510和2D材料結構520上。柵絕緣層525可以覆蓋2D材料結構520的上表面和側表面。柵絕緣層525可以包括例如硅氧化物、硅氮化物、鋁氧化物、鉿氧化物或者絕緣聚合物。然而，這僅僅是示范性的，并且柵絕緣層525可以包括各種絕緣材料。

參照圖7C，柵電極530被沉積在柵絕緣層525上。柵電極530可以相應于2D材料結構520的上表面和側表面被提供。柵電極530可以包括表現(xiàn)出優(yōu)異的導電性的金屬材料，例如Ag、Au、Pt或者Cu。然而，示例實施方式不限于此。

雖然未示出，但是源電極和漏電極形成在2D材料結構520的相反端。源電極和漏電極可以與柵電極530同時形成。

圖8A至8D示出根據(jù)示例實施方式的形成2D材料結構的方法。

參照圖8A，首先，在制備基板610之后，暴露基板610的表面的引導圖案層614形成在基板610上。引導圖案層614包括相對于基板610的表面基本上垂直的側表面614a。參照圖8B，過渡金屬層612被沉積為覆蓋基板610和引導圖案層614。在這種情況下，可以在引導圖案層614的側表面614a上進行傾斜沉積(angled deposition)以促進過渡金屬層612的沉積。

參照圖8C，形成在引導圖案層614的上表面和基板610的上表面上的過渡金屬層612通過蝕刻被去除，使得過渡金屬層612可以僅保留在引導圖案層614的側表面614a上。在這種情況下，過渡金屬層612可以通過例如等離子體而被蝕刻，但不限于此。這樣，保留在引導圖案層614的側表面614a上的過渡金屬層612通過蝕刻可以具有期望的(和/或備選地，預定的)厚度t4。過渡金屬層612可以在引導圖案層614的側表面614a上具有期望的(和/或備選地，預定的)厚度t4，該厚度t4小于特定厚度。過渡金屬層612可以具有小于例如大約3nm的期望的(和/或備選地，預定的)厚度t4。然而，示例實施方式不限于此。因而，當過渡金屬層612具有小于特定厚度的期望的(和/或備選地，預定的)厚度t4時，如下文所述，平行于引導圖案層614的側表面614a排列的2D材料結構可以從過渡金屬層612形成。因此，基本上垂直地排列的2D材料結構620可以形成在基板610上。

參照圖8D，2D材料結構620通過CVD方法，具體地，通過熱CVD方法，從過渡金屬層612生長。因為過渡金屬層612具有例如小于3nm的期望的(和/或備選地，預定的)厚度t4，所以自過渡金屬層612形成的2D材料結構620可以生長為基本上平行于引導圖案層614的側表面614a，也就是，相對于基板610基本上垂直。2D材料結構620可以包括單層或者數(shù)層。如上所述，2D材料結構620可以包括硫屬化物，例如TMD。例如，硫屬化物可以包括金屬元素Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb中的其中之一以及硫屬元素S、Se和Te中的其中之一。然而，示例實施方式不限于此。同時，2D材料結構620可以摻雜有雜質。

如圖8D所示，在形成垂直地排列在基板610上的2D材料結構620之后，保留在2D材料結構620周圍的引導圖案層614可以被去除。因此，僅 垂直地排列的2D材料結構620會保留在基板610上。

圖9A至9C示出根據(jù)示例實施方式的形成2D材料結構的方法。

參照圖9A，首先，在制備基板710之后，暴露基板710的表面的引導圖案層714形成在基板710上。引導圖案層714包括相對于基板710的表面基本上垂直的側表面714a。

參照圖9B，2D材料結構720被沉積為覆蓋基板710和引導圖案層714。2D材料結構720可以包括單層或者數(shù)層。通過2D材料結構720的沉積，基本上垂直地排列在基板710上的2D材料結構720可以形成在引導圖案層714的側表面714a上。換言之，在2D材料結構720的沉積工藝中，形成2D材料結構720的各個層平行于引導圖案層714的側表面714a形成。因此，相對于基板710垂直地形成的2D材料結構720可以在引導圖案層714的側表面714a上具有期望的(和/或備選地，預定的)厚度t5。2D材料結構720可以包括硫屬化物，例如TMD，如上所述。例如，硫屬化物可以包括金屬元素Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb中的其中之一以及硫屬元素S、Se和Te中的其中之一。然而，示例實施方式不限于此。同時，2D材料結構720可以摻雜有雜質。

參照圖9C，當保留在引導圖案層714的上表面和基板710的上表面上的2D材料結構720通過蝕刻被去除時，相對于基板710基本上垂直地排列的2D材料結構720被保留在引導圖案層714的側表面714a上。如圖9C所示，在形成垂直地排列在基板710上的2D材料結構720之后，保留在2D材料結構720周圍的引導圖案層714可以被去除。因此，僅垂直地排列在基板710上的2D材料結構720可以保留在基板710上。

圖10A至10D示出根據(jù)示例實施方式的制造晶體管的方法。圖10A至10D示出由圖8C或者圖9C示出的結構制造晶體管的方法。

參照圖10A，由絕緣材料形成并具有相對于基板810基本上垂直的側表面814a的引導圖案層814形成在基板810上。2D材料結構820形成在引導圖案層814的側表面814a上。2D材料結構820可以包括單層或者數(shù)層，各個層可以基本上垂直地排列在基板810上。之后，去除引導圖案層814。

參照圖10B，在圖10A的結構中，絕緣材料被沉積以覆蓋2D材料結構820和基板810，由此形成電介質層815。接著，如圖10C所示，柵絕緣層816通過蝕刻電介質層815而形成。

參照圖10D，柵電極830被沉積在柵絕緣層816上。柵電極830可以形成在2D材料結構820的上表面和側表面上。柵電極830可以包括例如表現(xiàn)出優(yōu)異的導電性的金屬材料。然而，示例實施方式不限于此。

圖11是根據(jù)示例實施方式的氣體傳感器900的透視圖。圖12是沿圖11的線XII-XII'截取的截面圖。

參照圖11和12，氣體傳感器900可以包括基板910、提供在基板910上的多個2D材料結構920、以及提供在2D材料結構920的相反端上的第一電極941和第二電極942。用于將2D材料結構920加熱至期望的(和/或備選地，預定的)溫度的加熱器970可以進一步提供在基板910上。

2D材料結構920提供在基板910上。2D材料結構920可以以期望的(和/或備選地，預定的)間隔彼此間隔開地布置。備選地，雖然圖11示出了多個2D材料結構920提供在基板910上的情況，但必要時，僅一個2D材料結構920可以被提供在基板910上。

每個2D材料結構920表示具有2D晶體結構的半導體材料并且可以具有單層結構或者多層結構，如上所述。形成2D材料結構920的每個層可以具有原子級的厚度。形成2D材料結構920的層可以通過范德華鍵連接。

2D材料結構920可以包括硫屬化物，例如TMD。例如，硫屬化物可以包括金屬元素Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb中的其中之一以及硫屬元素S、Se和Te中的其中之一。然而，上述材料僅僅是非限制示例，其它材料可以被用于硫屬化物。同時，2D材料結構920可以摻雜有p型摻雜劑或者n型摻雜劑以控制遷移率。例如，被用于石墨烯或者CNT的p型摻雜劑和n型摻雜劑可以用作p型摻雜劑和n型摻雜劑。p型摻雜劑或者n型摻雜劑可以通過離子注入方法或者化學摻雜方法而被摻雜。

2D材料結構920可以具有吸附各種類型的氣體的特性。在示例實施方式中，形成2D材料結構920的每個層可以相對于基板910基本上垂直地排列。此外，2D材料結構920可以布置為具有期望的(和/或備選地，預定的)方向性并且彼此平行。因而，由于2D材料結構920相對于基板910基本上垂直地排列并且所述層布置為具有期望的(和/或備選地，預定的)方向性并且彼此平行，所以2D材料結構920的表面可以具有高反應性。因此，因為各種類型的氣體被有效地吸附，所以可以實現(xiàn)高效率的氣體傳感器900。

第一電極941和第二電極941被提供在2D材料結構920的相反端。當2D材料結構920吸附氣體時，2D材料結構920的電特性變化。電特性的變化通過第一電極941和第二電極942測量，因此可以識別出氣體是否被吸附。

用于加熱2D材料結構920的加熱器970可以進一步提供在基板910上。加熱器970可以清潔吸附了氣體的2D材料結構920。換言之，在2D材料結構920吸附氣體的狀態(tài)中，當加熱器970將2D材料結構920加熱到期望的(和/或備選地，預定的)溫度時，被2D材料結構920吸附的氣體可以被從2D材料結構去除。從其去除了氣體的2D材料結構920可以被重復使用。備選地，雖然圖12示出加熱器970提供在基板910的下表面上，但本公開不限于此并且加熱器970的位置可以被不同地變化。此外，提供在基板910上的加熱器970的形狀可以被不同地變化。

如上所述，在氣體傳感器900中，因為2D材料結構920在基板910上垂直地排列，并且形成2D材料結構920的層形成為具有期望的(和/或備選地，預定的)方向性并且彼此平行，所以各種類型的氣體可以以高效率被檢測。

根據(jù)示例實施方式，用作溝道材料的2D材料結構相對于基板被垂直地排列，形成2D材料結構的層被形成為具有期望的(和/或備選地，預定的)方向性并且彼此平行，可以實現(xiàn)具有優(yōu)異的性能的精細尺寸的晶體管，例如具有大約10nm或更小的溝道寬度的FinFET。此外，可以實現(xiàn)能夠以高效率檢測各種氣體的氣體傳感器。

圖13是根據(jù)示例實施方式的氣體傳感器的透視圖。圖14是沿圖13的線XIV-XIV'截取的截面圖。

根據(jù)示例實施方式，圖13-14中示出的氣體傳感器1300可以與以上描述的圖9-10中的氣體傳感器900相同，除了以下差異之外。

不同于圖11-12中說明的包括在第一電極941和第二電極942之間彼此間隔開的相同類型的多個2D材料結構920的氣體傳感器900，氣體傳感器1300可以包括在第一電極941和第二電極942之間的不同類型的2D材料結構920。

例如，如圖13-14中所示，氣體傳感器1300可以包括在第一電極941和第二電極942之間的至少兩個不同的2D材料結構。氣體傳感器1300可以包括在第一電極941和第二電極942之間的彼此間隔開的2D材料結構920、 1320、1323和1325。

2D材料結構920可以具有與2D材料結構1320不同的成分。例如，2D材料結構920可以包括金屬元素Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb中的其中之一以及硫屬元素S、Se和Te中的其中之一。2D材料結構1320可以包括金屬元素Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb中的其中之一以及硫屬元素S、Se和Te中的其中之一。然而，2D材料結構1320中的金屬元素和/或硫屬元素可以不同于2D材料結構920中的金屬元素和/或硫屬元素。此外，或者備選地，2D材料結構1320和1325可以具有相同的成分，但是2D材料結構1320可以與2D材料結構1323不同地摻雜。此外，或者備選地，2D材料結構1320和1325可以具有相同的成分，但是2D材料結構1325可以具有比2D材料結構1320多的層。

圖15A至15D示出根據(jù)示例實施方式的制造晶體管的方法的一部分。

參照圖15A和15B，過渡金屬層1512可以形成在基板410上。然后，初始2D材料結構1515可以自過渡金屬層1512生長。初始2D材料結構1515可以覆蓋基板410的整個表面。然后，如圖15C和15D中所示，初始2D材料結構1515可以通過蝕刻由掩模M1暴露的一部分初始2D材料結構1515而被圖案化，從而形成2D材料結構520。在圖15D之后，2D材料結構520可以根據(jù)參照圖7B和7C說明的操作而被處理。

應該理解，在此描述的示范實施方式應該僅僅以描述的含義被考慮而不是為了限制。在根據(jù)示例實施方式的每個器件或者方法內的特征或者方面的說明應該通常被認為是可用于根據(jù)示例實施方式的其它器件或者方法中的其它相似的特征或者方面。雖然已經具體示出并描述了一些示例實施方式，但是本領域普通技術人員將理解，可以在其中進行形式和細節(jié)的變化而不背離權利要求的精神和范圍。

本申請要求于2015年7月3日在韓國知識產權局提交的韓國專利申請No.10-2015-0095361的優(yōu)先權，其公開通過引用整體合并在此。