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半導體硅是微電子工業的絕對主流材料，其自身氧化物二氧化硅同時兼具高度致密、均勻、絕緣的特性，在各種電子器件中發揮了重要的作用。然而，二氧化硅較低的介電常數限制了硅在先進制程工藝中的應用。為進一步延續摩爾定律，開發高遷移率新型超薄半導體溝道材料和高介電常數(ε > 10)超薄高質量氧化物介電層，成為科學界和產業界的近20年來主流研究方向之一。近日，北京大學化學與分子工程學院彭海琳教授課題組首次報道高遷移率二維半導體表面氧化成高κ柵介質并應用于高性能場效應晶體管器件和邏輯門電路，該研究工作突破了二維高遷移率半導體器件與超薄介電層集成這一瓶頸，有望推動二維集成電路的發展。

硅和氧是地球表面含量最高的兩種元素。半導體硅的性質非常優異且均衡，一直是半導體和集成電路產業界的絕對主流材料，其中一個關鍵原因是硅的自身氧化物二氧化硅同時兼具高度致密、均勻、絕緣的特性，且二者界面質量高。熱氧化產生的二氧化硅層可用作器件的柵介質、晶圓表面鈍化層、擴散摻雜阻擋層等等，作為硅的完美伴侶在各種電子器件和數字集成電路的加工和應用中發揮了極其重要的作用。除硅之外的其它半導體材料（鍺、硅鍺、砷化鎵、磷化銦、一維碳納米管、二維硫化鉬、黑磷、等等）都不具備可比肩二氧化硅的高質量自身氧化物。然而，二氧化硅過低的介電常數（ε="3.9）限制了其在先進制程工藝的應用，隨著主流制程節點向7納米甚至5納米以下邁進，硅/二氧化硅這一半導體/氧化物體系已經接近物理極限。為進一步延續摩爾定律，開發高遷移率新型超薄半導體溝道材料和高介電常數(ε > 10)超薄高質量氧化物介電層，成為科學界和產業界的近20年來主流研究方向之一。

圖1.高遷移率二維半導體/高κ自然氧化物柵介質(Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅)異質結構筑與邏輯器件原理圖

近期，北京大學彭海琳教授課題組首次發現，空氣穩定的高遷移率二維半導體硒氧化鉍（Bi₂O₂Se）經熱氧化表面形成自然氧化物亞硒酸氧鉍（Bi2SeO5），具備高介電常數（κ = 21）和良好的絕緣性能，Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅二者構筑的異質結能帶匹配、缺陷濃度低且界面質量高，在場效應器件和邏輯門電路中表現出優異的性能（如圖1）。彭海琳課題組基于對前期自主研發的高遷移率二維Bi₂O₂Se材料物理化學性質的系統研究，并結合相圖分析，預測在Bi₂O₂Se晶體結構中插入更多氧原子后能轉化為一種優良的寬禁帶材料Bi₂SeO₅。第一性理論計算表明，該氧化物不僅帶隙大大增加（從0.8eV增加到3.9eV），且與Bi₂O₂Se形成典型的第一類異質結，兩者導帶和價帶能量差均大于1eV，非常適合于場效應器件應用。目前已發展出二維Bi₂O₂Se的可控熱氧化、選擇性刻蝕和器件加工全套工藝。氧化的精度可以達到單個晶胞級別，且所得的半導體/氧化物界面為原子級平整。電容-電壓測量結合獨特的掃描探針微波成像技術表征表明，該氧化物的介電常數κ高達21，優于商用的高κ介質二氧化鉿。結合氫氟酸選擇性刻蝕技術與微納加工技術，制備了高性能場效應晶體管，其遷移率超過300cm2V^-1s^-1, 開關比接近10⁶，轉移曲線回滯顯著小于類似結構的二氧化鉿頂柵晶體管，具有理想的亞閾值擺幅(SS < 75 mV/dec)。器件使用的最小等效氧化層厚度（EOT）可達0.9nm，且柵漏電流遠低于同等效厚度的二氧化硅材料。進一步在此基礎上搭建的反相器（非門）CMOS邏輯電路，最大電壓增益超過了150，遠高于已報道的其他二維材料電子器件(如圖2)。二維Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅是首例報道的半導體/自然氧化物高κ柵介質體系，結合高遷移率二維半導體材料的超薄平面結構可抑制短溝道效應，有望解決摩爾定律進一步向前發展的瓶頸問題，給微納電子器件帶來新的技術變革，具有重要的基礎科學意義和應用價值。

圖2.高遷移率二維半導體/高κ自然氧化物柵介質(Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅)異質結制備及器件性能測試

該研究成果以“A native oxide high-κ gate dielectric for two-dimensional electronics”（高κ自然氧化物柵介質的二維電子學）為題，于2020年7月27日在Nature Electronics（自然·電子學）在線發表。彭海琳是該工作的通訊作者，北京大學化學與分子工程學院博士研究生李天然、涂騰是該工作的第一作者，該工作的主要合作者還包括北京大學物理學院的高鵬研究員、北京大學信息科學技術學院的黃如教授和黎明研究員、色列魏茨曼科學研究院的顏丙海教授及美國德州大學奧斯汀分校的賴柯吉教授。

該研究工作是關于高遷移率二維半導體表面氧化成高κ柵介質并應用于高性能場效應晶體管器件的首次公開報道，該工作突破了二維高遷移率半導體器件與超薄介電層集成這一瓶頸，有望推動二維集成電路的發展。該工作得到了來自國家自然科學基金、國家重點研發計劃、北京分子科學國家研究中心等項目的資助。