彭海琳課題組在晶圓級(jí)二維半導(dǎo)體單晶薄膜外延生長取得新進(jìn)展
主流硅基芯片CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）技術(shù)正面臨短溝道效應(yīng)等物理規(guī)律和制造成本的限制，需要開發(fā)基于新材料和新原理的晶體管技術(shù)來延續(xù)摩爾定律。高遷移率二維半導(dǎo)體因其超薄的平面結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的電子學(xué)性質(zhì)，有望成為“后摩爾時(shí)代”高性能電子器件和數(shù)字集成電路的理想溝道材料，進(jìn)一步縮小晶體管的尺寸和提高其性能。為滿足集成電路加工工藝和器件成品率對(duì)溝道材料的苛刻要求，二維半導(dǎo)體單晶薄膜的大面積制備尤為關(guān)鍵與重要。然而，現(xiàn)有二維半導(dǎo)體材料體系（過渡金屬硫族化合物、黑磷等）薄膜制備仍未滿足現(xiàn)實(shí)要求，因此亟需實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)二維半導(dǎo)體單晶薄膜制備技術(shù)的突破。
近期，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院彭海琳教授課題組瞄準(zhǔn)二維半導(dǎo)體材料的晶圓級(jí)單晶制備，率先實(shí)現(xiàn)了同時(shí)具有高電子遷移率、合適帶隙、環(huán)境穩(wěn)定的二維半導(dǎo)體（硒氧化鉍，Bi2O2Se)單晶晶圓的外延生長。他們基于自主設(shè)計(jì)搭建的雙溫區(qū)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，在商用的鈣鈦礦單晶基底【SrTiO3，LaAlO3，或(La, Sr)(Al,Ta)O3】上，利用Bi2O2Se與鈣鈦礦完美的晶格匹配性及較強(qiáng)的界面相互作用，促使Bi2O2Se晶核同一取向外延并融合生成晶圓級(jí)單晶薄膜。Bi2O2Se單晶薄膜在晶圓尺寸上表現(xiàn)出優(yōu)異的材料和電學(xué)均勻性，可被用于批量構(gòu)筑高性能場(chǎng)效應(yīng)晶體管。基于晶圓級(jí)二維Bi2O2Se單晶薄膜的標(biāo)準(zhǔn)頂柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管展現(xiàn)了高的室溫表觀遷移率（>150 cm2/V s）、大的電流開關(guān)比（>105）和較高的開態(tài)電流（45μA/μm）。相關(guān)成果發(fā)表在Nano Letters (Wafer-Scale Growth of Single-Crystal 2D Semiconductor on Perovskite Oxides for High-Performance Transistors. Nano Lett. 2019, 19, 2148)。北京大學(xué)彭海琳教授為該工作的通訊作者，第一作者為北京大學(xué)博士研究生譚聰偉。
近日，彭海琳課題組利用晶圓級(jí)氧化物分子束外延系統(tǒng)（MBE），精確調(diào)控Bi/Se/O高蒸氣壓多組分的配比和襯底生長溫度，實(shí)現(xiàn)了原子級(jí)厚度Bi2O2Se單晶薄膜的MBE外延生長，并與合作者利用角分辨光電子能譜（ARPES）首次解析了單晶胞（1-UC）厚二維Bi2O2Se薄膜的電子能帶結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，單晶胞厚二維Bi2O2Se具有約0.15 m0的低電子有效質(zhì)量和約0.8 eV的帶隙，證明了單晶胞厚的超薄Bi2O2Se依然是高遷移率的半導(dǎo)體材料，在未來短溝道器件中的具有應(yīng)用潛力。晶圓級(jí)二維Bi2O2Se半導(dǎo)體單晶薄膜的制備彌補(bǔ)了高遷移率二維半導(dǎo)體單晶晶圓材料的空白，為后摩爾時(shí)代新型高速和低功耗電子器件探索提供了材料基礎(chǔ)，具有重要的基礎(chǔ)科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。以上相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Materials (Molecular Beam Epitaxy and Electronic Structure of Atomically Thin Oxyselenide Films. Adv. Mater. 2019, 1901964)。北京大學(xué)彭海琳教授和中科院物理所郭建東研究員為該工作的共同通訊作者，第一作者為北京大學(xué)博雅博士后梁艷和清華大學(xué)博士研究生陳宇杰。
該系列工作得到了來自科技部和國家自然科學(xué)基金委等項(xiàng)目的資助，合作者還包括北京大學(xué)高鵬研究員、陳劍豪研究員、浙江大學(xué)王勇教授、南京大學(xué)袁洪濤教授、清華大學(xué)楊樂仙副教授、和牛津大學(xué)陳宇林教授等課題組成員。
圖1：晶圓級(jí)Bi2O2Se單晶薄膜的外延生長和場(chǎng)效應(yīng)晶體管
圖2：原子級(jí)厚度Bi2O2Se薄膜的外延生長及電子結(jié)構(gòu)解析
原文鏈接：
1. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b00381
2. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201901964
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