半导体材料是电子信息产业的基石。目前，随着晶体管特征尺寸的缩小，由于短沟道效应等物理规律和制造成本的限制，主流硅基材料与CMOS（互补金属氧化物半导体）技术正发展到10纳米工艺节点而很难提升，摩尔定律可能终结。因此，开发新型高性能半导体沟道材料和新原理晶体管技术，是科学界和产业界近20年来的主流研究方向之一。在众多CMOS沟道材料体系中，相比于一维纳米线和碳纳米管，高迁移率二维半导体的器件加工与传统微电子工艺兼容更好，同时其超薄平面结构可有效抑制短沟道效应，被认为是构筑后硅时代纳电子器件和数字集成电路的理想沟道材料。然而，现有二维材料体系（石墨烯、拓扑绝缘体、过渡金属硫族化合物、黑磷等）无法同时满足超高迁移率、合适带隙、环境稳定和可批量制备的现实要求，开发符合要求的高性能二维半导体新材料体系迫在眉睫。
?新型稳定的超高迁移率二维半导体材料BOX及晶体管示意图
近日，北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授课题组与合作者首次发现一类同时具有超高电子迁移率、合适带隙、环境稳定和可批量制备特点的全新二维半导体（硒氧化铋，Bi₂O₂Se），在场效应晶体管器件和量子输运方面展现出优异性能。彭海琳课题组基于前期对拓扑绝缘体（Bi₂Se₃，Bi₂Te₃）等二维量子材料的系统研究，提出用轻元素部分取代拓扑绝缘体中的重元素，以降低重元素的自旋-轨道耦合等相对论效应，进而调控其能带结构，消除金属性拓扑表面态，获得高迁移率二维半导体。经过材料的理论设计和数年的实验探索，该课题组发现了一类全新的超高迁移率半导体型层状氧化物材料Bi₂O₂Se，并利用化学气相沉积（CVD）法制备了高稳定性的二维Bi₂O₂Se晶体。基于理论计算和电学输运实验测量，证明Bi₂O₂Se材料具有合适带隙（～0.8eV）、极小的电子有效质量（～0.14m0）和超高的电子迁移率。系统的输运测量表明：CVD制备的Bi₂O₂Se二维晶体在未封装时的低温霍尔迁移率可高于20000cm²/V?s，展示了显著的SdH量子振荡行为；标准的Bi₂O₂Se顶栅场效应晶体管展现了很高的室温表观场效应迁移率（～2000cm²/V?s）和霍尔迁移率（～450 cm²/V?s）、很大的电流开关比（>10⁶）以及理想的器件亚阈值摆幅（～65mV/dec）。二维Bi₂O₂Se这些优异性能和综合指标已经超过了已有的一维和二维材料体系。Bi₂O₂Se这种高迁移率半导体特性还可能拓展到其他铋氧硫族材料（BOX：Bi₂O₂S、Bi₂O₂Se、Bi₂O₂Te）。结合其出色的环境稳定性和易于规模制备的特点，超高迁移率二维半导体BOX材料体系在构筑超高速和低功耗电子器件方面具有独特优势，有望解决摩尔定律进一步向前发展的瓶颈问题，给微纳电子器件带来新的技术变革，具有重要的基础科学意义和实际应用价值。
该研究成果以“High electron mobility and quantum oscillations in non-encapsulated ultrathin semiconducting Bi₂O₂Se”为题发表在2017年4月3日的《自然?纳米技术》Nature Nanotechnology上（DOI：10.1038/NNANO.2017.43）。该工作得到了来自科技部和国家自然科学基金委等项目的资助。
编辑：江南