硅和氧是地球表面含量最高的两种元素。半导体硅的性质非常优异且均衡，一直是半导体和集成电路产业界的绝对主流材料，其中一个关键原因是硅的自身氧化物二氧化硅同时兼具高度致密、均匀、绝缘的特性，且二者界面质量高。热氧化产生的二氧化硅层可用作器件的栅介质、晶圆表面钝化层、扩散掺杂阻挡层等等，作为硅的完美伴侣在各种电子器件和数字集成电路的加工和应用中发挥了极其重要的作用。除硅之外的其它半导体材料（锗、硅锗、砷化镓、磷化铟、一维碳纳米管、二维硫化钼、黑磷、等等）都不具备可比肩二氧化硅的高质量自身氧化物。然而，二氧化硅过低的介电常数（ε="3.9）限制了其在先进制程工艺的应用，随着主流制程节点向7纳米甚至5纳米以下迈进，硅/二氧化硅这一半导体/氧化物体系已经接近物理极限。为进一步延续摩尔定律，开发高迁移率新型超薄半导体沟道材料和高介电常数(ε > 10)超薄高质量氧化物介电层，成为科学界和产业界的近20年来主流研究方向之一。
图1.高迁移率二维半导体/高κ自然氧化物栅介质(Bi2O2Se/Bi2SeO5)异质结构筑与逻辑器件原理图
近期，北京大学彭海琳教授课题组首次发现，空气稳定的高迁移率二维半导体硒氧化铋（Bi2O2Se）经热氧化表面形成自然氧化物亚硒酸氧铋（Bi2SeO5），具备高介电常数（κ = 21）和良好的绝缘性能，Bi2O2Se/Bi2SeO5二者构筑的异质结能带匹配、缺陷浓度低且界面质量高，在场效应器件和逻辑门电路中表现出优异的性能（如图1）。彭海琳课题组基于对前期自主研发的高迁移率二维Bi2O2Se材料物理化学性质的系统研究，并结合相图分析，预测在Bi2O2Se晶体结构中插入更多氧原子后能转化为一种优良的宽禁带材料Bi2SeO5。第一性理论计算表明，该氧化物不仅带隙大大增加（从0.8eV增加到3.9eV），且与Bi2O2Se形成典型的第一类异质结，两者导带和价带能量差均大于1eV，非常适合于场效应器件应用。目前已发展出二维Bi2O2Se的可控热氧化、选择性刻蚀和器件加工全套工艺。氧化的精度可以达到单个晶胞级别，且所得的半导体/氧化物界面为原子级平整。电容-电压测量结合独特的扫描探针微波成像技术表征表明，该氧化物的介电常数κ高达21，优于商用的高κ介质二氧化铪。结合氢氟酸选择性刻蚀技术与微纳加工技术，制备了高性能场效应晶体管，其迁移率超过300cm2V-1s-1, 开关比接近106，转移曲线回滞显著小于类似结构的二氧化铪顶栅晶体管，具有理想的亚阈值摆幅(SS < 75 mV/dec)。器件使用的最小等效氧化层厚度（EOT）可达0.9nm，且栅漏电流远低于同等效厚度的二氧化硅材料。进一步在此基础上搭建的反相器（非门）CMOS逻辑电路，最大电压增益超过了150，远高于已报道的其他二维材料电子器件(如图2)。二维Bi2O2Se/Bi2SeO5是首例报道的半导体/自然氧化物高κ栅介质体系，结合高迁移率二维半导体材料的超薄平面结构可抑制短沟道效应，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应用价值。
图2.高迁移率二维半导体/高κ自然氧化物栅介质(Bi2O2Se/Bi2SeO5)异质结制备及器件性能测试
该研究成果以“A native oxide high-κ gate dielectric for two-dimensional electronics”（高κ自然氧化物栅介质的二维电子学）为题，于2020年7月27日在Nature Electronics（自然·电子学）在线发表。彭海琳是该工作的通讯作者，北京大学化学与分子工程学院博士研究生李天然、涂腾是该工作的第一作者，该工作的主要合作者还包括北京大学物理学院的高鹏研究员、北京大学信息科学技术学院的黄如教授和黎明研究员、色列魏茨曼科学研究院的颜丙海教授及美国德州大学奥斯汀分校的赖柯吉教授。
该研究工作是关于高迁移率二维半导体表面氧化成高κ栅介质并应用于高性能场效应晶体管器件的首次公开报道，该工作突破了二维高迁移率半导体器件与超薄介电层集成这一瓶颈，有望推动二维集成电路的发展。该工作得到了来自国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京分子科学国家研究中心等项目的资助。
