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【LOL外围网站】北大课题组:高性能二维半导体新材料展现出优异性能

发布时间:2021-09-25人气:
本文摘要:半导体材料是电子信息产业的基石。目前,随着晶体管特征尺寸的增大,由于较短沟道效应等物理规律和生产成本的容许,主流硅基材料与CMOS(有序金属氧化物半导体)技术于是以发展到10纳米工艺节点而很难提高,摩尔定律有可能落幕。因此,研发新型高性能半导体闸极材料和新的原理晶体管技术,是科学界和产业界近20年来的主流研究方向之一。

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半导体材料是电子信息产业的基石。目前,随着晶体管特征尺寸的增大,由于较短沟道效应等物理规律和生产成本的容许,主流硅基材料与CMOS(有序金属氧化物半导体)技术于是以发展到10纳米工艺节点而很难提高,摩尔定律有可能落幕。因此,研发新型高性能半导体闸极材料和新的原理晶体管技术,是科学界和产业界近20年来的主流研究方向之一。

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在众多CMOS闸极材料体系中,比起于一维纳米线和碳纳米管,低迁移率二维半导体的器件加工与传统微电子工艺相容更佳,同时其超薄平面结构可有效地诱导较短沟道效应,被指出是构筑后硅时代纳电子器件和数字集成电路的理想闸极材料。然而,现有二维材料体系(石墨烯、流形绝缘体、过渡性金属硫族化合物、黑磷等)无法同时符合超高迁移率、适合带上隙、环境平稳和可批量制取的现实拒绝,研发符合要求的高性能二维半导体新材料体系迫在眉睫。新型平稳的超高迁移率二维半导体材料BOX及晶体管示意图近日,北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授课题组与合作者首次找到一类同时具备超高电子迁移率、适合带上隙、环境平稳和可批量制取特点的全新二维半导体(硒水解铋,Bi2O2Se),到场效应晶体管器件和量子输送方面展现出色性能。

彭海琳课题组基于前期对流形绝缘体(Bi2Se3,Bi2Te3)等二维量子材料的系统研究,明确提出用轻元素部分代替流形绝缘体中的重元素,以减少重元素的磁矩-轨道耦合等相对论效应,进而调控其能带结构,避免金属性流形表面态,取得低迁移率二维半导体。经过材料的理论设计和数年的实验探寻,该课题组找到了一类全新的超高迁移率半导体型层状氧化物材料Bi2O2Se,并利用化学气相沉积(CVD)法制取了高稳定性的二维Bi2O2Se晶体。基于理论计算出来和电学输送实验测量,证明Bi2O2Se材料具备适合带上隙(~0.8eV)、大于的电子有效地质量(~0.14m0)和超高的电子迁移率。

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系统的输送测量指出:CVD制取的Bi2O2Se二维晶体在未PCB时的低温霍尔迁移率可低于20000cm2/V·s,展出了明显的SdH量子波动不道德;标准的Bi2O2Se顶栅场效应晶体管展现出了很高的室温表观场效应迁移率(~2000cm2/V·s)和霍尔迁移率(~450cm2/V·s)、相当大的电流电源比(>106)以及理想的器件亚阈值摆幅(~65mV/dec)。二维Bi2O2Se这些出色性能和综合指标早已多达了有数的一维和二维材料体系。

Bi2O2Se这种低迁移率半导体特性还有可能扩展到其他铋氧硫族材料(BOX:Bi2O2S、Bi2O2Se、Bi2O2Te)。融合其出众的环境稳定性和更容易规模制取的特点,超高迁移率二维半导体BOX材料体系在构筑超高速和低功耗电子器件方面具备独有优势,未来将会解决问题摩尔定律更进一步向前发展的瓶颈问题,给微纳电子器件带给新的技术变革,具备最重要的基础科学意义和实际应用于价值。


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