北大課題組：高性能二維半導(dǎo)體新材料展現(xiàn)出優(yōu)異性能

　　半導(dǎo)體材料是電子信息產(chǎn)業(yè)的基石。目前，隨著晶體管特征尺寸的縮小，由于短溝道效應(yīng)等物理規(guī)律和制造成本的限制，主流硅基材料與CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)技術(shù)正發(fā)展到10納米工藝節(jié)點(diǎn)而很難提升，摩爾定律可能終結(jié)。

　　因此，開發(fā)新型高性能半導(dǎo)體溝道材料和新原理晶體管技術(shù)，是科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界近20年來的主流研究方向之一。在眾多CMOS溝道材料體系中，相比于一維納米線和碳納米管，高遷移率二維半導(dǎo)體的器件加工與傳統(tǒng)微電子工藝兼容更好，同時其超薄平面結(jié)構(gòu)可有效抑制短溝道效應(yīng)，被認(rèn)為是構(gòu)筑后硅時代納電子器件和數(shù)字集成電路的理想溝道材料。

　　然而，現(xiàn)有二維材料體系(石墨烯、拓?fù)浣^緣體、過渡金屬硫族化合物、黑磷等)無法同時滿足超高遷移率、合適帶隙、環(huán)境穩(wěn)定和可批量制備的現(xiàn)實(shí)要求，開發(fā)符合要求的高性能二維半導(dǎo)體新材料體系迫在眉睫。

　　近日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院彭海琳教授課題組與合作者首次發(fā)現(xiàn)一類同時具有超高電子遷移率、合適帶隙、環(huán)境穩(wěn)定和可批量制備特點(diǎn)的全新二維半導(dǎo)體(硒氧化鉍，Bi2O2Se)，在場效應(yīng)晶體管器件和量子輸運(yùn)方面展現(xiàn)出優(yōu)異性能。

　　彭海琳課題組基于前期對拓?fù)浣^緣體(Bi2Se3，Bi2Te3)等二維量子材料的系統(tǒng)研究，提出用輕元素部分取代拓?fù)浣^緣體中的重元素，以降低重元素的自旋-軌道耦合等相對論效應(yīng)，進(jìn)而調(diào)控其能帶結(jié)構(gòu)，消除金屬性拓?fù)浔砻鎽B(tài)，獲得高遷移率二維半導(dǎo)體。

　　經(jīng)過材料的理論設(shè)計(jì)和數(shù)年的實(shí)驗(yàn)探索，該課題組發(fā)現(xiàn)了一類全新的超高遷移率半導(dǎo)體型層狀氧化物材料Bi2O2Se，并利用化學(xué)氣相沉積(CVD)法制備了高穩(wěn)定性的二維Bi2O2Se晶體?；诶碚撚?jì)算和電學(xué)輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)測量，證明Bi2O2Se材料具有合適帶隙(～0.8eV)、極小的電子有效質(zhì)量(～0.14m0)和超高的電子遷移率。

　　系統(tǒng)的輸運(yùn)測量表明：CVD制備的Bi2O2Se二維晶體在未封裝時的低溫霍爾遷移率可高于20000cm2/V·s，展示了顯著的SdH量子振蕩行為;標(biāo)準(zhǔn)的Bi2O2Se頂柵場效應(yīng)晶體管展現(xiàn)了很高的室溫表觀場效應(yīng)遷移率(～2000cm2/V·s)和霍爾遷移率(～450 cm2/V·s)、很大的電流開關(guān)比(>106)以及理想的器件亞閾值擺幅(～65mV/dec)。

　　二維Bi2O2Se這些優(yōu)異性能和綜合指標(biāo)已經(jīng)超過了已有的一維和二維材料體系。Bi2O2Se這種高遷移率半導(dǎo)體特性還可能拓展到其他鉍氧硫族材料(BOX：Bi2O2S、Bi2O2Se、Bi2O2Te)。結(jié)合其出色的環(huán)境穩(wěn)定性和易于規(guī)模制備的特點(diǎn)，超高遷移率二維半導(dǎo)體BOX材料體系在構(gòu)筑超高速和低功耗電子器件方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，有望解決摩爾定律進(jìn)一步向前發(fā)展的瓶頸問題，給微納電子器件帶來新的技術(shù)變革，具有重要的基礎(chǔ)科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價值。