北大課題組：高性能二維半導體新材料展現出優(yōu)異性能

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

　　因此，開(kāi)發(fā)新型高性能半導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(lái)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(xiàn)和碳納米管，高遷移率二維半導體的器件加工與傳統微電子工藝兼容更好，同時(shí)其超薄平面結構可有效抑制短溝道效應，被認為是構筑后硅時(shí)代納電子器件和數字集成電路的理想溝道材料。

　　然而，現有二維材料體系(石墨烯、拓撲絕緣體、過(guò)渡金屬硫族化合物、黑磷等)無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足超高遷移率、合適帶隙、環(huán)境穩定和可批量制備的現實(shí)要求，開(kāi)發(fā)符合要求的高性能二維半導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)現一類(lèi)同時(shí)具有超高電子遷移率、合適帶隙、環(huán)境穩定和可批量制備特點(diǎn)的全新二維半導體(硒氧化鉍，Bi2O2Se)，在場(chǎng)效應晶體管器件和量子輸運方面展現出優(yōu)異性能。

　　彭海琳課題組基于前期對拓撲絕緣體(Bi2Se3，Bi2Te3)等二維量子材料的系統研究，提出用輕元素部分取代拓撲絕緣體中的重元素，以降低重元素的自旋-軌道耦合等相對論效應，進(jìn)而調控其能帶結構，消除金屬性拓撲表面態(tài)，獲得高遷移率二維半導體。

　　經(jīng)過(guò)材料的理論設計和數年的實(shí)驗探索，該課題組發(fā)現了一類(lèi)全新的超高遷移率半導體型層狀氧化物材料Bi2O2Se，并利用化學(xué)氣相沉積(CVD)法制備了高穩定性的二維Bi2O2Se晶體?；诶碚撚嬎愫碗妼W(xué)輸運實(shí)驗測量，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。

　　系統的輸運測量表明：CVD制備的Bi2O2Se二維晶體在未封裝時(shí)的低溫霍爾遷移率可高于20000cm2/V·s，展示了顯著(zhù)的SdH量子振蕩行為;標準的Bi2O2Se頂柵場(chǎng)效應晶體管展現了很高的室溫表觀(guān)場(chǎng)效應遷移率(～2000cm2/V·s)和霍爾遷移率(～450cm2/V·s)、很大的電流開(kāi)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)異性能和綜合指標已經(jīng)超過(guò)了已有的一維和二維材料體系。Bi2O2Se這種高遷移率半導體特性還可能拓展到其他鉍氧硫族材料(BOX：Bi2O2S、Bi2O2Se、Bi2O2Te)。結合其出色的環(huán)境穩定性和易于規模制備的特點(diǎn)，超高遷移率二維半導體BOX材料體系在構筑超高速和低功耗電子器件方面具有獨特優(yōu)勢，有望解決摩爾定律進(jìn)一步向前發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，給微納電子器件帶來(lái)新的技術(shù)變革，具有重要的基礎科學(xué)意義和實(shí)際應用價(jià)值。