分会

第四十二分会：纳米材料的合成与组装

摘要

硅是半导体工业的基石，其自身氧化物二氧化硅兼具致密、均匀、绝缘的特性，在各类电子器件和精密仪器中发挥了重要的作用。然而，二氧化硅的介电常数只有~3.9，限制了硅在先进制程工艺中的应用。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（κ > 10）超薄高质量氧化物介电层，成为科学界和产业界的近二十年来主流研究方向之一。然而截至目前，除硅之外的其它半导体材料（如锗、砷化镓、一维碳纳米管、二维硫化钼、黑磷等）都不具备与二氧化硅可比拟的高质量自身氧化物，限制了其进一步发展。 在我们组前期开发的新型高迁移率二维半导体硒氧化铋（Bi2O2Se）的研究基础上1，我们发现可通过热氧化的氧化方式在Bi2O2Se表面形成自然氧化物亚硒酸氧铋（Bi2SeO5）2。二维Bi2O2Se的可控热氧化的精度可以达到单个晶胞级别，实现逐层氧化，且所得的半导体/氧化物界面为原子级平整。通过热氧化法制备的自然氧化物拥有高介电常数（κ = 21）和良好的绝缘性能。Bi2O2Se / Bi2SeO5二者构筑的异质结能带匹配（导带和价带能量差均大于1 eV）。以Bi2SeO5为栅介电层直接构筑的场效应晶体管，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，亚阈值摆幅SS < 75 mV/dec，证明介电层的质量较高且界面缺陷少。器件使用的最小等效氧化层厚度（EOT）可达0.9 nm。该研究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。

关键词

二维；Bi2O2Se；自然氧化物；Bi2SeO5；场效应晶体管

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