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北大課題組：高性能二維半導體新材料展現出優異性能

2017-04-10 17:29:14 未知

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半導體材料是電子信息產業的基石。目前，隨著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）技術正發展到10納米工藝節點而很難提升，摩爾定律可能終結。

因此，開發新型高性能半導體溝道材料和新原理晶體管技術，是科學界和產業界近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，高遷移率二維半導體的器件加工與傳統微電子工藝兼容更好，同時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、環境穩定和可批量制備的現實要求，開發符合要求的高性能二維半導體新材料體系迫在眉睫。

近日，北京大學化學與分子工程學院彭海琳教授課題組與合作者首次發現一類同時具有超高電子遷移率、合適帶隙、環境穩定和可批量制備特點的全新二維半導體（硒氧化鉍，Bi2O2Se），在場效應晶體管器件和量子輸運方面展現出優異性能。

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，進而調控其能帶結構，消除金屬性拓撲表面態，獲得高遷移率二維半導體。

經過材料的理論設計和數年的實驗探索，該課題組發現了一類全新的超高遷移率半導體型層狀氧化物材料Bi2O2Se，并利用化學氣相沉積（CVD）法制備了高穩定性的二維Bi2O2Se晶體。基于理論計算和電學輸運實驗測量，證明Bi2O2Se材料具有合適帶隙（～0．8eV）、極小的電子有效質量（～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；標準的Bi2O2Se頂柵場效應晶體管展現了很高的室溫表觀場效應遷移率（～2000cm2／V·s）和霍爾遷移率（～450 cm2／V·s）、很大的電流開關比（＞106）以及理想的器件亞閾值擺幅（～65mV／dec）。

二維Bi2O2Se這些優異性能和綜合指標已經超過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）。結合其出色的環境穩定性和易于規模制備的特點，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勢，有望解決摩爾定律進一步向前發展的瓶頸問題，給微納電子器件帶來新的技術變革，具有重要的基礎科學意義和實際應用價值。