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彭海琳課題組在晶圓級二維半導體單晶薄膜外延生長取得新進展

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主流硅基芯片CMOS(互補金屬氧化物半導體技術面臨溝道效應等物理規律和制造成本的限制,需要開發基于新材料和新原理的晶體管技術來延續摩爾定律。高遷移率維半導體因其超薄的平面結構和獨特的電子學性質,有望成為后摩爾時代高性能電子器件和數字集成電路的理想溝道材料,進一步縮小晶體管的尺寸和提高其性能。為滿足集成電路加工工藝器件成品率對溝道材料的苛刻要求,二維半導體單晶薄膜的大面積制備尤為關鍵與重要。然而,現有二半導體材料體系(過渡金屬硫族化合物、黑磷等)薄膜制備仍未滿足現實要求,因此亟需實現晶圓級二維半導體單晶薄膜制備技術的突破。

近期,北京大學化學與分子工程學院彭海琳教授課題組瞄準二維半導體材料的晶圓級單晶制備,率先實現了同時具有高電子遷、合適帶隙、環境穩定二維半導體硒氧化鉍,Bi2O2Se)單晶晶圓的外延生長。他們基于自主設計搭建的雙溫區化學氣相沉積系統,在商用的鈣鈦礦單晶基底SrTiO3,LaAlO3,或(La, Sr)(Al,Ta)O3上,利用Bi2O2Se與鈣鈦礦完美的晶格匹配性及較強的界面相互作用,促使Bi2O2Se晶核同一取向外延融合生成晶圓級單晶薄膜。Bi2O2Se單晶薄膜在晶圓尺寸上表現出優異的材料和電學均勻性,可被用于批量構筑高性能場效應晶體管?;诰A級二維Bi2O2Se單晶薄膜標準頂柵型場效應晶體管展現了高的室溫表觀遷移率>150 cm2/V s)、大的電流開關比>105)和高的開態電流45μA/μm)。相關成果發表在Nano Letters (Wafer-Scale Growth of Single-Crystal 2D Semiconductor on Perovskite Oxides for High-Performance Transistors. Nano Lett. 2019, 19, 2148)。北京大學彭海琳教授為該工作的通訊作者,第一作者為北京大學博士研究生譚聰偉。

近日,彭海琳課題組利用晶圓級氧化物分子束外延系統MBE,精確調控Bi/Se/O高蒸氣壓多組分的配比襯底生長溫度,現了原子級厚度Bi2O2Se單晶薄膜的MBE外延生長,并與合作者利用角分辨光電子能譜(ARPES首次解析了單晶胞(1-UC)厚二維Bi2O2Se薄膜的電子能帶結構。結果顯示,單晶胞厚二維Bi2O2Se具有約0.15 m0的低電子有效質量和約0.8 eV的帶隙,證明了單晶胞厚的超薄Bi2O2Se依然高遷移率的半導體材料,在未來短溝道器件中的具有應用潛力。晶圓級二維Bi2O2Se半導體單晶薄膜制備彌補了高遷移率二維半導體單晶晶圓材料的空白,后摩爾時代新型高速和低功耗電子器件探索提供了材料基礎,具有重要的基礎科學意義和應用價值。以上相關成果發表在Advanced Materials (Molecular Beam Epitaxy and Electronic Structure of Atomically Thin Oxyselenide Films. Adv. Mater. 2019, 1901964)。北京大學彭海琳教授和中科院物理所郭建東研究員為該工作的共同通訊作者,第一作者為北京大學博雅博士后梁艷和清華大學博士研究生陳宇杰。

系列工作得到了來自科技部和國家自然科學基金委等項目的資助,合作者還包括北京大學高鵬研究員、陳劍豪研究員、浙江大學王勇教授、南京大學袁洪濤教授、清華大學楊樂仙副教授、和牛津大學陳宇林教授等課題組成員。

 

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1:晶圓級Bi2O2Se單晶薄膜的外延生長和場效應晶體管

 

2原子級厚度Bi2O2Se薄膜的外延生長及電子結構解析

 

原文鏈接:

1. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b00381

2. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201901964

 

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