高迁移率二维半导体因其独特的晶体结构和电学性质，可望突破主流硅基CMOS（互补金属氧化物半导体）芯片技术在进一步微缩时面临的短沟道效应等物理限制，被认为是后摩尔时代替代硅的候选芯片材料之一。然而，制备决定未来，二维半导体材料的晶体质量是影响其器件性能的关键因素；如何实现新型二维晶体的精准合成，进一步提高大面积晶体的质量、降低缺陷密度以满足高性能器件的材料要求，是二维半导体材料面临的重要挑战。
近年来，北京大学化学与分子工程学院彭海琳课题组主要从事二维材料物理化学与能源纳米技术研究，致力于高迁移率二维材料（石墨烯、拓扑绝缘体、氧硫族半导体）的控制合成、界面调控和器件应用研究，率先开发了超高迁移率二维硒氧化铋半导体芯片材料（Bi2O2Se），建立了一系列二维Bi2O2Se晶体可控制备及表界面调控方法（Nano Lett. 2017, 17, 3021; Nano Lett. 2019, 9, 197; Adv. Mater. 2019, 31, 1901964; J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 2726），并构筑了高速低功耗电子器件、量子输运器件、超快高敏红外光探测及高敏气体传感器（Nature Nanotech. 2017, 12, 530; Nature Commun. 2018, 9, 3311; Science Adv. 2018, 4, eaat8355; Nature Electron. 2020, 3, 473; Angew. Chem. Int. Ed. 2020,59,17938）。
图1： 晶圆级超薄二维Bi2O2Se半导体单晶薄膜跨台阶外延生长及其超高电子迁移率
最近，彭海琳课题组基于分子束外延生长技术，提出了一种二维层状材料生长新策略——跨台阶外延，实现了晶圆级高品质二维Bi2O2Se单晶薄膜的逐层可控制备。厚度薄至一个单胞（1.2 nm厚）的二维Bi2O2Se薄膜的室温霍尔迁移率高达180 cm2/Vs，优于相同厚度的硅和其他二维半导体，满足未来先进半导体工艺节点对迁移率的要求（~100 cm2/Vs），展现了二维Bi2O2Se在未来电子学的应用潜力。与传统外延和范德华外延相比，跨台阶外延方法厘清了面外晶格失配的影响因素，扩展了现有的外延生长理论，有望应用于其他二维层状材料的高质量制备，例如[Bi2O2]基层状材料和具有类似骨架结构的铁基层状超导体等。相关成果以"Step-climbing epitaxy of layered materials with giant out-of-plane lattice mismatch"为题发表于Advanced Materials (Adv. Mater. 2022, e2202754)。北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授为该工作通讯作者，共同第一作者为北京大学化学与分子工程学院博士研究生周雪涵、博雅博士后梁艳（出站后在中科院物理所任副研究员）和重庆大学物理学院付会霞副教授。
图2：无应变二维半导体单晶纳米片Bi2O2Se的制备及其电学性质
此外，基于自催化气-液-固（VLS）生长机制，彭海琳课题组实现了高品质无应变二维半导体单晶Bi2O2Se的制备，并与北京大学电子学院邱晨光课题组合作构筑了高性能场效应晶体管。具体而言，基于自催化VLS制备的无应变二维Bi2O2Se单晶晶体，二维晶体通过面外生长模式与基底表面分离，降温冷却过程中其不受基底晶格收缩的影响，从而避免因和生长衬底之间的热膨胀和收缩系数不同而产生的结构应变，可获得高质量无应变二维单晶晶体。系统的低温输运测量结果表明：无应变二维 Bi2O2Se晶体在未封装时低温霍尔迁移率可高于160,000 cm2/Vs (2 K)，表现出显著的SdH量子振荡行为，远高于目前已报道的基底表面上横向生长的二维Bi2O2Se晶体。此外，无应变二维Bi2O2Se顶栅场效应晶体管展现了高室温表观场效应迁移率（750 cm2/Vs）、大电流开关比（>106）、以及超高开态电流（1.33 mA/μm，沟道长度150 nm），这与相似沟道长度下商用Si和Ge的N-型场效应晶体管电学性能相当。结合Bi2O2Se优异的环境稳定性，超高迁移率无应变二维Bi2O2Se晶体在构筑超高速、低功耗电子和光电器件方面具有独特优势，有望解决新型多功能、高性能电子和光电器件探索的材料瓶颈问题，具有重要的基础科学意义和实际应用价值。相关成果以"Strain-free layered semiconductors for 2D transistors with on-State current density exceeding 1.3 mA μm−1"为题发表于Nano Letters (Nano Lett. 2022, 22, 3770)。北京大学彭海琳教授和邱晨光研究员为该工作共同通讯作者，共同第一作者为北京大学化学学院博雅博士后谭聪伟、北京大学电子学院博士研究生姜建峰和北京大学化学学院博雅博士后王璟岳。
以上研究工作得到了来自国家自然科学基金委、科技部和北京分子科学国家研究中心等项目的资助以及北大化学院分子材料与纳米加工实验室仪器平台的支持。
原文链接：
1. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202202754
2. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c00820
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