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半導(dǎo)體硅是微電子工業(yè)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(fā)揮了重要的作用。然而，二氧化硅較低的介電常數(shù)限制了硅在先進制程工藝中的應(yīng)用。為進一步延續(xù)摩爾定律，開發(fā)高遷移率新型超薄半導(dǎo)體溝道材料和高介電常數(shù)(ε > 10)超薄高質(zhì)量氧化物介電層，成為科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的近20年來主流研究方向之一。近日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院彭海琳教授課題組首次報道高遷移率二維半導(dǎo)體表面氧化成高κ柵介質(zhì)并應(yīng)用于高性能場效應(yīng)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(dǎo)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(fā)展。

硅和氧是地球表面含量最高的兩種元素。半導(dǎo)體硅的性質(zhì)非常優(yōu)異且均衡，一直是半導(dǎo)體和集成電路產(chǎn)業(yè)界的絕對主流材料，其中一個關(guān)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(zhì)量高。熱氧化產(chǎn)生的二氧化硅層可用作器件的柵介質(zhì)、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(shù)字集成電路的加工和應(yīng)用中發(fā)揮了極其重要的作用。除硅之外的其它半導(dǎo)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(zhì)量自身氧化物。然而，二氧化硅過低的介電常數(shù)（ε="3.9）限制了其在先進制程工藝的應(yīng)用，隨著主流制程節(jié)點向7納米甚至5納米以下邁進，硅/二氧化硅這一半導(dǎo)體/氧化物體系已經(jīng)接近物理極限。為進一步延續(xù)摩爾定律，開發(fā)高遷移率新型超薄半導(dǎo)體溝道材料和高介電常數(shù)(ε > 10)超薄高質(zhì)量氧化物介電層，成為科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的近20年來主流研究方向之一。

圖1.高遷移率二維半導(dǎo)體/高κ自然氧化物柵介質(zhì)(Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅)異質(zhì)結(jié)構(gòu)筑與邏輯器件原理圖

近期，北京大學(xué)彭海琳教授課題組首次發(fā)現(xiàn)，空氣穩(wěn)定的高遷移率二維半導(dǎo)體硒氧化鉍（Bi₂O₂Se）經(jīng)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(shù)（κ = 21）和良好的絕緣性能，Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅二者構(gòu)筑的異質(zhì)結(jié)能帶匹配、缺陷濃度低且界面質(zhì)量高，在場效應(yīng)器件和邏輯門電路中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能（如圖1）。彭海琳課題組基于對前期自主研發(fā)的高遷移率二維Bi₂O₂Se材料物理化學(xué)性質(zhì)的系統(tǒng)研究，并結(jié)合相圖分析，預(yù)測在Bi₂O₂Se晶體結(jié)構(gòu)中插入更多氧原子后能轉(zhuǎn)化為一種優(yōu)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(zhì)結(jié)，兩者導(dǎo)帶和價帶能量差均大于1eV，非常適合于場效應(yīng)器件應(yīng)用。目前已發(fā)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(dǎo)體/氧化物界面為原子級平整。電容-電壓測量結(jié)合獨特的掃描探針微波成像技術(shù)表征表明，該氧化物的介電常數(shù)κ高達21，優(yōu)于商用的高κ介質(zhì)二氧化鉿。結(jié)合氫氟酸選擇性刻蝕技術(shù)與微納加工技術(shù)，制備了高性能場效應(yīng)晶體管，其遷移率超過300cm2V^-1s^-1, 開關(guān)比接近10⁶，轉(zhuǎn)移曲線回滯顯著小于類似結(jié)構(gòu)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(chǔ)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(dǎo)體/自然氧化物高κ柵介質(zhì)體系，結(jié)合高遷移率二維半導(dǎo)體材料的超薄平面結(jié)構(gòu)可抑制短溝道效應(yīng)，有望解決摩爾定律進一步向前發(fā)展的瓶頸問題，給微納電子器件帶來新的技術(shù)變革，具有重要的基礎(chǔ)科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

圖2.高遷移率二維半導(dǎo)體/高κ自然氧化物柵介質(zhì)(Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅)異質(zhì)結(jié)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(zhì)的二維電子學(xué)）為題，于2020年7月27日在Nature Electronics（自然·電子學(xué)）在線發(fā)表。彭海琳是該工作的通訊作者，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)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(xué)物理學(xué)院的高鵬研究員、北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院的黃如教授和黎明研究員、色列魏茨曼科學(xué)研究院的顏丙海教授及美國德州大學(xué)奧斯汀分校的賴柯吉教授。

該研究工作是關(guān)于高遷移率二維半導(dǎo)體表面氧化成高κ柵介質(zhì)并應(yīng)用于高性能場效應(yīng)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(dǎo)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(fā)展。該工作得到了來自國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、北京分子科學(xué)國家研究中心等項目的資助。