新型超高迁移率二维半导体的制备与器件研究

Ultrahigh-mobility semiconducting ultrathin films form the basis of modern electronics and may lead to the scalable fabrication of highly-performing devices in post-silicon integrated circuits. Since the ultrathin limit cannot be reached for traditional semiconductors, identifying new two-dimensional (2D) materials with both high carrier mobility and large electronic bandgap is a pivotal goal of fundamental research. However, to date, 2D semiconducting materials with high-mobility, sizable band-gap, environmental stability and easy accessibility to large-scale production remain elusive. In this proposal, we are going to identify new air-stable 2D materials with both superior mobility and large band gaps by rationally theoretical design, and develop facile approaches to synthesize high-quality 2D crystals at a large scale. In addition, 2D semiconductors would be fabricated into high-performance functional devices with well-controlled regulation of the unique surface/interface behavior. The exploitation of air-stable ultrahigh-mobility semiconducting 2D materials would hold great promise in the fundamental discovery of new physics and new effects as well as practical applications in electronics, photonics, optoelectronics and energy sciences.

高迁移率二维半导体因其独特的结构和性质，可有效抑制短沟道效应，被认为是替代半导体硅，构筑“后摩尔时代”新型晶体管的理想沟道材料之一。在实际器件应用中，要求二维半导体沟道材料除了拥有超高迁移率和大带隙之外，还需具备环境稳定性好，材料制备简单的特点。但是，现有二维材料体系（石墨烯、拓扑绝缘体、过渡金属硫族化合物、黑磷、等等）无法同时满足上述四点要求。针对这一问题和实际应用需求，本项目旨在通过材料的理性设计，开发同时满足超高迁移率、合适带隙、环境稳定性、可批量制备的全新的二维半导体材料体系，建立高品质材料的可控制备和批量生长方法，研究和调控其独特的表界面行为，构筑高性能电子器件，并探索基本物理化学性质和效应。本项目的实施有希望开发在纳电子和光电子领域带来变革的材料，具有重要的基础科学意义和实际应用价值。

高迁移率二维半导体可有效抑制晶体管器件微缩时的短沟道效应，被认为是构筑“后硅时代”微纳电子器件和数字集成电路的理想沟道材料。然而，原有二维材料体系（石墨烯、拓扑绝缘体、过渡金属硫族化合物及黑磷等）因缺乏带隙、迁移率不足、环境不稳定等原因，无法满足现实需求，开发符合要求的高性能二维半导体新材料体系迫在眉睫。值得强调的是，将高迁移率二维半导体推向实际器件应用，必然需要解决一系列界面问题，其中一个核心界面即为半导体/氧化物界面。二维半导体具有原子级层厚和超高比表面积的特点，故而材料与氧化物界面原子排布方式、相互作用及缺陷密度等因素均对其物理化学特性和器件性能具有显著影响。因而，高质量二维半导体/氧化物异质结构的可控构筑是研究其物理化学特性、探索其器件应用和新奇物性的前提。.针对新型高迁移率二维半导体材料表界面生长控制及结构与性能调控中关键科学和技术难题，本项目在前期二维材料和光电器件研究的基础上，从表界面科学与工程角度，重点研究了新型高迁移率二维材料的表界面生长控制、精准合成方法、单晶晶圆规模化制备、界面工程和光电性能、新奇物理效应探索，取得了一系列有国际影响力的原创性成果：1）自主开发了一类全新高介电常数（k=21）自氧化物栅介质Bi2SeO5，并可控构筑了界面原子级平整、低缺陷浓度的Bi2O2Se/Bi2SeO5高质量异质结可控构筑，开发了高性能场效应晶体管及逻辑门器件；2）发展了高品质高迁移率二维半导体的精准制备方法，实现了晶圆级高迁移率二维Bi2O2Se单晶薄膜的可控制备，构筑了高性能场效应晶体管、高敏氧传感器件及光电器件。在该项目资助下，已发表SCI论文40篇，通讯作者论文包括Nature Materials 1篇，Nature Electronics 3篇，Nature Communications 3篇，Science Advances 2篇，JACS 1篇，Angew. Chem. Int. Ed. 1篇，Advanced Materials 4篇，Nano Letters 4篇，Accounts of Materials Research 1篇等等，其中影响因子大于10的论文有30篇，占75 %。授权中国发明专利及实用新型专利10项。推动了高迁移二维半导体材料制备科学与器件应用研究发展。