高遷移率二維半導體因其獨特的晶體結構和電學性質，可望突破主流矽基CMOS（互補金屬氧化物半導體）芯片技術在進一步微縮時面臨的短溝道效應等物理限制，被認為是後摩爾時代替代矽的候選芯片材料之一。然而，制備決定未來，二維半導體材料的晶體質量是影響其器件性能的關鍵因素；如何實現新型二維晶體的精準合成，進一步提高大面積晶體的質量、降低缺陷密度以滿足高性能器件的材料要求，是二維半導體材料面臨的重要挑戰。

近年來，beat365beat365彭海琳課題組主要從事二維材料物理化學與能源納米技術研究，緻力于高遷移率二維材料（石墨烯、拓撲絕緣體、氧硫族半導體）的控制合成、界面調控和器件應用研究，率先開發了超高遷移率二維硒氧化铋半導體芯片材料（Bi2O2Se），建立了一系列二維Bi2O2Se晶體可控制備及表界面調控方法（Nano Lett. 2017, 17, 3021; Nano Lett. 2019, 9, 197; Adv. Mater. 2019, 31, 1901964; J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 2726），并構築了高速低功耗電子器件、量子輸運器件、超快高敏紅外光探測及高敏氣體傳感器（Nature Nanotech. 2017, 12, 530; Nature Commun. 2018, 9, 3311; Science Adv. 2018, 4, eaat8355; Nature Electron. 2020, 3, 473; Angew. Chem. Int. Ed. 2020,59,17938）。

最近，彭海琳課題組基于分子束外延生長技術，提出了一種二維層狀材料生長新策略——跨台階外延，實現了晶圓級高品質二維Bi2O2Se單晶薄膜的逐層可控制備。厚度薄至一個單胞（1.2 nm厚）的二維Bi2O2Se薄膜的室溫霍爾遷移率高達180 cm2/Vs，優于相同厚度的矽和其他二維半導體，滿足未來先進半導體工藝節點對遷移率的要求（~100 cm2/Vs），展現了二維Bi2O2Se在未來電子學的應用潛力。與傳統外延和範德華外延相比，跨台階外延方法厘清了面外晶格失配的影響因素，擴展了現有的外延生長理論，有望應用于其他二維層狀材料的高質量制備，例如[Bi2O2]基層狀材料和具有類似骨架結構的鐵基層狀超導體等。相關成果以“Step-climbing epitaxy of layered materials with giant out-of-plane lattice mismatch”為題發表于Advanced Materials (Adv. Mater. 2022, e2202754)。beat365beat365彭海琳教授為該工作通訊作者，共同第一作者為beat365beat365博士研究生周雪涵、博雅博士後梁豔（出站後在中科院物理所任副研究員）和重慶大學物理學院付會霞副教授。

此外，基于自催化氣-液-固（VLS）生長機制，彭海琳課題組實現了高品質無應變二維半導體單晶Bi2O2Se的制備，并與beat365電子學院邱晨光課題組合作構築了高性能場效應晶體管。具體而言，基于自催化VLS制備的無應變二維Bi2O2Se單晶晶體，二維晶體通過面外生長模式與基底表面分離，降溫冷卻過程中其不受基底晶格收縮的影響，從而避免因和生長襯底之間的熱膨脹和收縮系數不同而産生的結構應變，可獲得高質量無應變二維單晶晶體。系統的低溫輸運測量結果表明：無應變二維 Bi2O2Se晶體在未封裝時低溫霍爾遷移率可高于160,000 cm2/Vs (2 K)，表現出顯著的SdH量子振蕩行為，遠高于目前已報道的基底表面上橫向生長的二維Bi2O2Se晶體。此外，無應變二維Bi2O2Se頂栅場效應晶體管展現了高室溫表觀場效應遷移率（750 cm2/Vs）、大電流開關比（>106）、以及超高開态電流（1.33 mA/μm，溝道長度150 nm），這與相似溝道長度下商用Si和Ge的N-型場效應晶體管電學性能相當。結合Bi2O2Se優異的環境穩定性，超高遷移率無應變二維Bi2O2Se晶體在構築超高速、低功耗電子和光電器件方面具有獨特優勢，有望解決新型多功能、高性能電子和光電器件探索的材料瓶頸問題，具有重要的基礎科學意義和實際應用價值。相關成果以“Strain-free layered semiconductors for 2D transistors with on-State current density exceeding 1.3 mA μm−1”為題發表于Nano Letters (Nano Lett. 2022, 22, 3770)。beat365彭海琳教授和邱晨光研究員為該工作共同通訊作者，共同第一作者為beat365化學學院博雅博士後譚聰偉、beat365電子學院博士研究生姜建峰和beat365化學學院博雅博士後王璟嶽。

以上研究工作得到了來自國家自然科學基金委、科技部和北京分子科學國家研究中心等項目的資助以及北大化學院分子材料與納米加工實驗室儀器平台的支持。

圖1： 晶圓級超薄二維Bi2O2Se半導體單晶薄膜跨台階外延生長及其超高電子遷移率

圖2：無應變二維半導體單晶納米片Bi2O2Se的制備及其電學性質

原文鍊接：

1. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202202754

2. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c00820