二维材料和分子操纵小组
文章导读：硅基半导体是目前微电子工业的主流材料，但是二氧化硅较低的介电常数限制了其在先进制造工艺中的应用。开发具有高介电常数（ε>10）的超薄高质量氧化物介电层已成为该领域的一个主流研究方向。近日，北京大学彭海琳教授课题组首次将高迁移率的二维半导体表面氧化成高κ栅介质，并进一步将其应用于高性能场效应晶体管的构筑和逻辑门电路的研究。
前沿
自上世纪50年代后期发明集成电路以来，硅基半导体材料一直主导着微电子领域研究和生产的发展。其中一个关键原因是硅的自身氧化物二氧化硅（SiO2）同时兼具高度致密、均匀、绝缘的特性。经过硅热氧化得到高度密集和均匀的SiO2层，既可作为硬掩模防止硅晶片污染，也可以作为硅基场效应晶体管（FETs）的栅极电介质。Si和SiO2在各种电子器件和电路的加工和应用中发挥了极其重要的作用。
然而，由于硅基场效应晶体管尺寸减小到10 nm以下时会面临各种挑战，其中，最主要的是流动性的降低和短沟道的增加。因此，人们希望开发出具有高迁移率的其他材料半导体来代替硅，从而进一步延续摩尔定律。针对这一挑战，可能满足性能要求的材料包括SiGe、Ge、Ⅲ-Ⅴ族半导体和二维电子气体系（如LaAlO3/SrTiO3）。而具有高迁移率的低维半导体，如碳纳米管、过渡金属二硫属化物、黑磷和InSe等，虽然可以通过抑制短沟道效应来延续摩尔定律，但这些材料均不能动摇硅在微电子中的主导地位，部分原因是缺乏稳定的天然氧化物与其半导体兼容。目前还未发现可与硅/二氧化硅这一对半导体/氧化物相媲美的体系。
内容
如图1a所示，层状的Bi2O2Se是一种新型四方晶系的高迁移率二维半导体, 在高温下热氧化后，会有更多的氧原子嵌入结构中。不同于普通的金属氧化物的形成过程（经历氧空位和金属价态的变化）不同，Bi2O2Se的氧化产物是热力学稳定的Bi2SeO5，该化学反应过程如方程式1所示。Bi2O2Se逐渐层层转换成Bi2SeO5，最终形成一个纯Bi2SeO5相。研究者通过理论计算研究Bi2O2Se和Bi2SeO5之间的能带排列，如图1b所示，Bi2O2Se具有1.09 eV的窄间接带隙，而Bi2SeO5具有3.90 eV带隙，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。
Bi2O2Se + 3/2O2 = Bi2SeO5 方程式（1）
图1. 晶体和电子结构。(a)层状 Bi2O2Se和其天然氧化物Bi2SeO5的晶体结构；(b) Bi2O2Se和Bi2SeO5之间能带排列的能量图。
可控氧化和选择性蚀刻
为了优化Bi2O2Se/Bi2SeO5异质结的结构，研究者系统地研究了通过化学气相沉积在云母基底上的Bi2O2Se晶体的热氧化行为。如图2a所示，通过在 370-400°C范围内调节氧化温度，Bi2O2Se纳米板的厚度在前20分钟内与氧化时间呈线性关系。同样可以使用稀释的氢氟酸（0.2％）在Bi2O2Se上选择性蚀刻Bi2SeO5。如图2b所示，即使在热氧化和蚀刻后，二维Bi2O2Se纳米板的表面仍保持超光滑，与原始Bi2O2Se相比，表面粗糙度仅增加了1.6 Å。
图2. 层状Bi2O2Se的可控氧化和Bi2SeO5的选择性蚀刻。(a) 时间依赖的Bi2O2Se氧化；(b)Bi2O2Se纳米板（红色）的高度和表面粗糙度测量，Bi2O2Se/Bi2SeO5氧化后（绿色）和顶部Bi2SeO5的蚀刻后（蓝色）。
介电性能
为评估Bi2SeO5作为栅极电介质的潜力，研究者测试了Bi2SeO5薄膜的介电性能。图3a为用于电容-电压（C-V）测量的器件构型（金属-绝缘体-金属），其中20 nm厚的Bi2SeO5膜夹在顶部Au电极和导电Nb-SrTiO3衬底之间。对于直流偏压范围为-2.5至2.5V，介电常数εr为21且没有波动，这表明Bi2SeO5是稳定的高κ电介质材料。温度依赖性的测量结果表明Bi2SeO5在280-330 K范围内（接近室温）具有高κ值（图3b）。当氧化物厚度低于20nm时，器件的C-V测试变得困难，这是由于在高偏压具有相对大的漏电流。如图3c，Bi2SeO5介电常数约为21，在厚度低于5 nm时稍微降低，其对应的等效氧化物厚度(EOT)小到0.9 nm。
图3. Bi2SeO5的电学性能。(a)不同频率下Bi2SeO5器件偏压依赖的介电常数；(b)不同频率下Bi2SeO5器件温度依赖的介电常数；(c)厚度依赖的介电常数。
场效应晶体管和逆变电路
Bi2SeO5的优良电性能及其与微处理的兼容性有助于以其氧化物作为栅极电介质的顶部栅极场效应晶体管的制造（图4a）。Fe/Au用于源极和漏极，Pd/Au作为栅电极，匹配Pd和Bi2O2Se之间的功函数。如图4b所示，具有20 nm厚Bi2SeO5固有栅介质的Bi2O2Se场效应晶体管的输出特性，表现出典型的n型特性。在低偏置时具有线性的Ids-Vds曲线，在高偏置时饱和，这表明在源极和漏极金属接点处可以忽略肖特基势垒。图4c中基于Bi2O2Se/Bi2SeO5的场效应晶体管用于最基本的NOT门（逆变器），在其之间0 V（逻辑状态0）和1 V（逻辑状态1）与电压增益高达150，远高于已报道的其他二维材料电子器件。
图4. 顶栅为Bi2O2Se/Bi2SeO5的场效应晶体管和逆变器电路。(a) Bi2SeO5作为介电层的场效应晶体管示意图；(b) Bi2O2Se/Bi2SeO5场效应晶体管的输出特性；(c)逆变器的电压传输特性。
结论
本论文报道了基于原子级厚度的高迁移率半导体沟道材料Bi2O2Se，并将其与具有高κ性质的栅介质氧化物Bi2SeO5相集成，制备高性能场效应晶体管。Bi2SeO5的高介电常数、鲁棒性以及等效氧化物厚度能够降低到0.9 nm等性质，能够为其在微电子器件中的应用提供很大潜力。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。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-020-0444-6
撰稿人：赵世强（2017级博士生）
校稿人：冯安妮（博士后）
