彭海琳課題組在《自然•納米技術(shù)》報道超高遷移率二維半導(dǎo)體BOX新發(fā)現(xiàn)
時間：2021-04-06 16:23:03學(xué)院：化學(xué)與分子工程學(xué)院學(xué)校：北京大學(xué)
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)界的近20年來主流研究方向之一。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、拓撲絕緣體、過渡金屬硫族化合物、黑磷、等等）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和合作者首次發(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方面展現(xiàn)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(tǒng)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(yīng)，進而調(diào)控其能帶結(jié)構(gòu)，消除金屬性拓撲表面態(tài)，獲得高遷移率二維半導(dǎo)體。經(jīng)過材料的理性設(shè)計和數(shù)年的實驗探索，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。基于理論計算和電學(xué)輸運實驗測量，證明Bi2O2Se材料具有合適帶隙（~0.8 eV）、極小的電子有效質(zhì)量(~0.14 m0)和超高的電子遷移率。系統(tǒng)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20000 cm2/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（~2000 cm2/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（~65 mV/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，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特優(yōu)勢，有望解決摩爾定律進一步向前發(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)意義和實際應(yīng)用價值。
該研究成果以“High electron mobility and quantum oscillations in non-encapsulated ultrathin semiconducting Bi2O2Se”為題發(fā)表于2017年4月3日的《自然?納米技術(shù)》Nature Nanotechnology上（DOI:10.1038/NNANO.2017.43）。該工作得到了來自科技部和國家自然科學(xué)基金委等項目的資助。
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