在芯片、光電子及新能源等前沿領域，新型低維半導體單晶薄膜是構建下一代高性能器件的關鍵材料基礎。後摩爾時代，傳統矽基半導體材料已趨近其物理極限，而兼具原子級厚度及優異光電特性的高遷移率二維半導體材料，成為突破現有技術瓶頸的重要方向。然而，當前基于非工業襯底的單晶薄膜外延技術雖已取得進展，卻受限于襯底成本高、尺寸小等問題，嚴重制約其規模化應用。
因此，将單晶薄膜外延平台轉移至矽、藍寶石、碳化矽等工業襯底，直接外延集成高質量二維半導體單晶薄膜，已成為連接實驗室創新與産業化落地的關鍵路徑。這類工業襯底兼具高熱穩定、優良絕緣和化學惰性，以及成本可控、工藝成熟、産線兼容等綜合優勢，不僅為二維半導體的晶圓級均勻外延提供了理想平台，更是保障器件性能一緻性、提升良率與控制成本的關鍵。
綜上所述，在矽與藍寶石等工業襯底上直接外延高遷移率二維半導體單晶薄膜，不僅能充分釋放新材料在光電集成等領域的性能潛力，更可推動新一代芯片材料技術從原型走向量産，對實現高性能、低功耗及三維集成等目标具有戰略意義，并為新一代信息技術和能源器件的低成本制造奠定堅實材料基礎。
近年來，beat365彭海琳課題組開發了一種新型超高遷移率铋基二維半導體（硒氧化铋Bi2O2Se）及其高 κ 原生氧化物栅介質材料（α-Bi2SeO5與β-Bi2SeO5），并基于此體系制備了一系列高性能二維晶體管、紅外探測器、傳感器以及量子霍爾器件（Nature Nanotech. 2017, 12, 530; Nature Commun. 2018, 9, 3311; Nature Electron. 2020, 3, 473; Nature Electron. 2022, 5, 643; Nature Mater. 2023, 22, 832; Nature Nanotech. 2024, 19, 1452），并率先開發出全球首例外延高 κ 栅介質集成型二維鳍式晶體管（Nature 2023, 616, 66）和首例低功耗二維環栅晶體管（Nature Mater. 2025, 24, 519）。
近日，彭海琳課題組首次在工業襯底上實現了面向全環栅晶體管（GAAFET）的可轉移铋基二維半導體Bi2O2Se單晶晶圓的均勻外延。研究團隊建立了緩沖層輔助的範德華外延（buffered van der Waals epitaxy）方法，在 r 面藍寶石工業襯底上實現了晶圓級均勻的單晶二維高 κ 栅介質/半導體/高 κ 栅介質（β-Bi2SeO5/Bi2O2Se/α-Bi2SeO5）GAA異質結構的精準合成（圖1）。外延制備的二維GAA異質結構在整個晶圓範圍内表現出原子級平整的界面、優異的均勻性和高晶體質量。此外，由于在 r 面藍寶石襯底上引入高 κ 範德華緩沖層氧化物α-Bi2SeO5，可有效降低襯底與二維GAA異質結構之間的晶格失配，從而确保單晶性和晶圓級均勻性。高 κ 緩沖層氧化物的範德華間隙具有所有界面中最低的結合能，導緻二維GAA異質結構的可規模化地從外延 r 面藍寶石晶圓表面剝離，使得二維GAA異質結構可以被完整轉移至多種目标襯底，進而外延 r 面藍寶石晶圓實現重複利用。基于該二維GAA異質結構制備的全環栅場效應晶體管，具有優異的栅極可控性，展現出超過106的開關比以及高達227 cm2/Vs的遷移率。該研究工作使铋基二維半導體材料體系擺脫了傳統鈣钛礦氧化物和雲母襯底尺寸的限制，從而能夠在工業級大面積藍寶石襯底上進行制備。此外，其可轉移特性确保了與現有矽基工業系統的良好兼容性。該研究成果以“Wafer-scale uniform epitaxy of transferable 2D single crystals for gate-all-around nanosheet field effect transistors”為題，發表于《自然‧通訊》（Nature Commun.2025, 16, 10587），并申請發明專利3項（CN120844046A；CN121183305A；CN121183406A）。
與此同時，彭海琳課題組聯合南京大學聶越峰教授課題組，在單晶矽基底上也實現了二維铋基氧化物半導體的外延生長。針對矽基外延生長高質量、單晶二維半導體面臨的重大挑戰（矽表面易形成非晶二氧化矽層，破壞外延所需的晶格匹配關系，并引發不利的界面反應，導緻薄膜多晶化、晶界增多，性能下降），研究團隊開發了在矽襯底上SrTiO3緩沖層輔助外延生長單晶二維Bi2O2Se半導體薄膜的方法。該方法不僅克服了矽表面氧化層導緻的外延障礙，還抑制了界面副反應，實現了從晶格匹配、取向控制到原子級陡峭界面的高質量二維單晶Bi2O2Se薄膜的共格外延生長。所獲薄膜在厘米尺度具備優異的單晶性、均勻性和結構完整性，且其厚度可低至2 nm以下。基于該薄膜制備的晶體管展現出高達約230 cm2/Vs的電子遷移率與高開關比，性能滿足未來集成電路對溝道材料的要求。這項工作不僅為二維半導體與矽技術的融合提供了切實可行的外延集成方案，也為後續開發基于二維材料的新型電子器件、推動後摩爾時代集成電路的發展奠定了材料與工藝基礎。該研究成果以“Epitaxial Integration of Single-Crystalline 2D Bi2O2Se Semiconductor Film on Silicon”為題，與2025年12月28日在線發表于《美國化學會會志》（Journal of the American Chemical Society 2025）。
以上工作為二維半導體與矽工業技術的融合提供了新的策略，也為突破矽基器件尺度極限、延續摩爾定律提供了新的可能路徑。該系列工作得到了來自科技部、國家自然科學基金委、新基石科學基金會等項目的資助。Nature Commun.報道工作的通訊作者為beat365官方网站彭海琳教授，第一作者為beat365官方网站博士研究生薛騁遠、副研究員譚聰偉、博雅博士後高欣和博士研究生唐浚川。理論計算合作者包括蘇州實驗室丁峰教授課題組。JACS 報道工作的通訊作者為beat365官方网站彭海琳教授、譚聰偉副研究員、南京大學現代工程與應用科學學院聶越峰教授；第一作者為beat365官方网站博士研究生馮霆楷、李也、薛騁遠、南京大學現代工程與應用科學學院博士研究生許多。
圖1. 面向全環栅晶體管的可轉移二維單晶晶圓的均勻外延。（a）外延晶圓級可轉移單晶基二維環栅(GAA)異質結構的合成與設計思路圖；（b）梯度氧化制備單晶二維β-Bi2SeO5/Bi2O2Se/α-Bi2SeO5 GAA異質結晶圓；（c）二維GAA異質結晶圓級穩定制備；（d）Si/SiO2襯底表面三層二維GAA異質結構的垂直堆疊異質集成；（e）二維GAA異質結電學性質（開關電流和遷移率）統計；（f）晶圓級二維全環栅晶體管陣列（Nature Commun.2025, 16, 10587）。
圖2. 二維铋基氧化物半導體的矽基外延集成。（a-b）直接在Si或SiO2/Si襯底表面生長二維Bi2O2Se的示意圖，疇區成核位點、取向随機并伴随副産物生成；（c-d）在SrTiO3緩沖層覆蓋的Si表面外延生長二維Bi2O2Se的示意圖，疇區取向相同且可無縫拼接為單晶薄膜（JACS 2025）。
論文鍊接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-65641-y
https://doi.org/10.1021/jacs.5c18957
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