主流矽基芯片CMOS（互補金屬氧化物半導體）技術正面臨短溝道效應等物理規律和制造成本的限制，需要開發基于新材料和新原理的晶體管技術來延續摩爾定律。高遷移率二維半導體因其超薄的平面結構和獨特的電子學性質，有望成為“後摩爾時代”高性能電子器件和數字集成電路的理想溝道材料，進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溝道材料的苛刻要求，二維半導體單晶薄膜的大面積制備尤為關鍵與重要。然而，現有二維半導體材料體系（過渡金屬硫族化合物、黑磷等）薄膜制備仍未滿足現實要求，因此亟需實現晶圓級二維半導體單晶薄膜制備技術的突破。

近期，beat365官方网站彭海琳教授課題組瞄準二維半導體材料的晶圓級單晶制備，率先實現了同時具有高電子遷移率、合适帶隙、環境穩定的二維半導體（硒氧化铋，Bi2O2Se)單晶晶圓的外延生長。他們基于自主設計搭建的雙溫區化學氣相沉積系統，在商用的鈣钛礦單晶基底【SrTiO3，LaAlO3，或(La, Sr)(Al,Ta)O3】上，利用Bi2O2Se與鈣钛礦完美的晶格匹配性及較強的界面相互作用，促使Bi2O2Se晶核同一取向外延并融合生成晶圓級單晶薄膜。Bi2O2Se單晶薄膜在晶圓尺寸上表現出優異的材料和電學均勻性，可被用于批量構築高性能場效應晶體管。基于晶圓級二維Bi2O2Se單晶薄膜的标準頂栅型場效應晶體管展現了高的室溫表觀遷移率（>150 cm2/V s）、大的電流開關比（>105）和較高的開态電流（45μA/μm）。相關成果發表在Nano Letters (Wafer-Scale Growth of Single-Crystal 2D Semiconductor on Perovskite Oxides for High-Performance Transistors. Nano Lett. 2019, 19, 2148)。beat365彭海琳教授為該工作的通訊作者，第一作者為beat365博士研究生譚聰偉。

近日，彭海琳課題組利用晶圓級氧化物分子束外延系統（MBE），精确調控Bi/Se/O高蒸氣壓多組分的配比和襯底生長溫度，實現了原子級厚度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薄膜的電子能帶結構。結果顯示，單晶胞厚二維Bi2O2Se具有約0.15 m0的低電子有效質量和約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體材料，在未來短溝道器件中的具有應用潛力。晶圓級二維Bi2O2Se半導體單晶薄膜的制備彌補了高遷移率二維半導體單晶晶圓材料的空白，為後摩爾時代新型高速和低功耗電子器件探索提供了材料基礎，具有重要的基礎科學意義和應用價值。以上相關成果發表在Advanced Materials (Molecular Beam Epitaxy and Electronic Structure of Atomically Thin Oxyselenide Films. Adv. Mater. 2019, 1901964)。beat365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beat365博雅博士後梁豔和清華大學博士研究生陳宇傑。

該系列工作得到了來自科技部和國家自然科學基金委等項目的資助，合作者還包括beat365高鵬研究員、陳劍豪研究員、浙江大學王勇教授、南京大學袁洪濤教授、清華大學楊樂仙副教授、和牛津大學陳宇林教授等課題組成員。

圖1：晶圓級Bi2O2Se單晶薄膜的外延生長和場效應晶體管

圖2：原子級厚度Bi2O2Se薄膜的外延生長及電子結構解析

原文鍊接：

1. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b00381

2. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201901964