二维材料 芯片研究（北大新材料研究助力二维高迁移率半导体器件与超薄介电层集成）

二维材料 芯片研究（北大新材料研究助力二维高迁移率半导体器件与超薄介电层集成）研究过程课题组报道了通过高迁移率2D半导体Bi2O2Se的逐层氧化，原位形成超薄 Bi2SeO5高κ栅介质。使用这种天然氧化物电介质，可以构建高性能的Bi2O2Se场效应晶体管，以及具有大电压增益（高达150）的反相器电路。 Bi2SeO5的高介电常数（~21）允许其等效氧化物厚度减小到0.9 nm，同时保持低于热SiO2的栅极泄漏。还可以通过湿化学方法选择性地蚀刻掉Bi2SeO5，从而使下面的Bi2O2Se半导体的迁移率几乎保持不变。 Bi2SeO5北京大学化学与分子工程学院物理化学研究所彭海琳课题组在高κ本征氧化物栅介质的二维电子学研究中取得重要突破，研究成果以《高κ本征氧化物栅介质的二维电子学》（“A native oxide high-κ gate dielectric for two-dimensional electronics”）为题发表于《自然-电子学》，北京大学化学与分子

本期为大家带来的是北京大学化学与分子工程学院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研究成果，该课题组通过对Bi2O2Se材料进行热氧化处理，得到高K栅介质材料 Bi2SeO5薄膜，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，有望在工艺应用中为集成电路二维结构的改良与优化注入新的生命力。

研究背景

作为产业发展历程中最重要的原材料，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大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5nm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。

北京大学化学与分子工程学院物理化学研究所彭海琳课题组在高κ本征氧化物栅介质的二维电子学研究中取得重要突破，研究成果以《高κ本征氧化物栅介质的二维电子学》（“A native oxide high-κ gate dielectric for two-dimensional electronics”）为题发表于《自然-电子学》，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，彭海琳教授是该工作的通讯作者，该项研究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、以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。下面让我们来看看课题组具体说了做了哪些研究工作。

基本特性

课题组报道了通过高迁移率2D半导体Bi2O2Se的逐层氧化，原位形成超薄 Bi2SeO5高κ栅介质。使用这种天然氧化物电介质，可以构建高性能的Bi2O2Se场效应晶体管，以及具有大电压增益（高达150）的反相器电路。 Bi2SeO5的高介电常数（~21）允许其等效氧化物厚度减小到0.9 nm，同时保持低于热SiO2的栅极泄漏。还可以通过湿化学方法选择性地蚀刻掉Bi2SeO5，从而使下面的Bi2O2Se半导体的迁移率几乎保持不变。 Bi2SeO5

研究过程

在课题组的成果报告中，他们首先发现了空气稳定的高迁移率二维半导体硒氧化铋（Bi2O2Se）经热氧化后表面会形成本征氧化物亚硒酸氧铋(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。

Bi2O2Se/Bi2SeO5异质结构筑与逻辑器件原理图

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0.8 eV增加到3.9 eV），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1 eV，非常适合于场效应器件应用。

经过不断探究和实验，课题组已发展出二维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。

在前述工作基础上，课题组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300 cm2V-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0.9 nm，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。

Bi2O2Se/Bi2SeO5异质结制备流程及器件性能测试

SEM电镜观测下的经选择性刻蚀后得到的复杂图案

应用前景

回望集成电路工艺的发展过程，栅介质层厚度的不断减少成为了缩小晶体管特征尺寸的重要路径之一，但随着器件尺寸的不断减少，传统的二氧化硅膜愈来愈无法满足工艺需求，本项研究工作中的二维Bi2O2Se/Bi2SeO5是首例报道的半导体/本征氧化物高κ栅介质体系，Bi2SeO5的高介电常数、鲁棒性以及等效氧化物厚度能够降低到0.9nm等性质，能够为其在微电子器件中的应用提供很大潜力，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，期待这项成果能够在突破摩尔定律的技术探索之路上发挥重要的作用。

论文全文链接：

https://www.nature.com/articles/s41928-020-0444-6