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到目前為止，硅一直是制造集成電路（IC）和其他電子組件的主要材料。但是，近來，研究人員一直在嘗試尋找可以在電子應(yīng)用中替代硅的新型高遷移率半導(dǎo)體，因為在計算效率和生產(chǎn)速度方面，硅似乎已接近極限。

過去的研究已經(jīng)探索了兩種不同類型的材料的潛力，即塊狀材料（例如硅鍺）和低維納米材料（例如1-D碳納米管，2-D過渡金屬二鹵化物）。盡管這些材料中的某些已被證明是硅的有前途的替代品，但它們通常會因缺少高質(zhì)量的天然氧化物作為介電材料而受苦，這可能會大大限制它們與其他電子組件的兼容性。

北京大學(xué)的研究人員最近發(fā)現(xiàn)了一種新的本征氧化物高k柵極電介質(zhì)，該電介質(zhì)可用于解決半導(dǎo)體的兼容性問題，這些半導(dǎo)體有可能在電子制造中替代硅。這種新的電介質(zhì)發(fā)表在《自然電子》上的一篇論文中，是他們在從事其他研究項目時意外發(fā)現(xiàn)的。

早在2016年，研究人員就完成了一項研究2-D Bi 2 O 2 Se 品質(zhì)的研究。吳進(jìn)雄是進(jìn)行實驗的學(xué)生之一，現(xiàn)在是南開大學(xué)的教授。當(dāng)他意識到材料的納米板逐漸變得幾乎透明時，他試圖用空氣等離子體清潔Bi 2 O 2 Se 的表面。

監(jiān)督這項研究的研究員彭海林告訴TechXplore：“在如此低的等離子體功率下，極不可能吹走樣品?！?“因此，我意識到必須發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并且該反應(yīng)的產(chǎn)物帶隙比Bi 2 O 2 Se 寬得多。當(dāng)我們完成第一個2-D Bi 2 O 2 Se計劃后，我問我的另一個學(xué)生滕T研究了2-D Bi 2 O 2 Se 熱氧化后的化學(xué)反應(yīng)。她發(fā)現(xiàn)最終產(chǎn)物是Bi 2 SeO 5，并且經(jīng)過艱苦的工作才能夠確定Bi 2 SeO 5可以與下面的Bi 2 O 2 Se 形成均勻且原子清晰的界面。”

最初，彭和他的同事認(rèn)為他們只是發(fā)現(xiàn)了一個有趣的新化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)另一位研究人員李天然加入該項目并開始進(jìn)行大量的器件制造和電氣測量時，他們意識到Bi 2 SeO 5可能是一種極好的柵極電介質(zhì)，因為它具有極高的介電常數(shù)和低泄漏當(dāng)前。這一認(rèn)識導(dǎo)致了新的研究，旨在制造有史以來第一個類似于熱SiO 2的天然氧化物柵極電介質(zhì)。

彭說：“坦白說，制造類似于熱SiO 2的天然氧化物柵極電介質(zhì)并不像看起來那樣容易?！?“我們花了將近兩年的時間來優(yōu)化整個過程，但是我們很高興地發(fā)現(xiàn)Bi 2 SeO 5在許多方面都比ALD HfO 2或熱SiO 2具有更好的性能?！?/span>

在他們的研究中，Peng和他的同事使用原生的Bi 2 SeO 5作為2-D Bi 2 O 2 Se通道的頂柵，以創(chuàng)建高性能的場效應(yīng)晶體管和反相器電路。與常規(guī)電路相比，這些電路在電壓上表現(xiàn)出可觀的增益。此外，新發(fā)現(xiàn)的材料的高介電常數(shù)將等效氧化物厚度減小至0.9 nm，并保持低于熱SiO 2的柵極泄漏。

彭說：“我相信我們的發(fā)現(xiàn)可以以不同的方式激勵研究人員?！?“對于材料科學(xué)家來說，這項工作展示了除了范德華斯積分之外還可以制造高質(zhì)量二維異質(zhì)結(jié)的另一種方法。實際上，將表面轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌牟牧纤坪醣确兜氯A斯積分更可擴展且更方便地構(gòu)造異質(zhì)結(jié)我們的工作還證明了這種原位異質(zhì)結(jié)的質(zhì)量可能很高?！?/span>

Peng及其研究小組確定的新型本機氧化物高k柵極電介質(zhì)可證明對電子制造非常有價值。實際上，高遷移率二維材料及其高k本征氧化物柵極電介質(zhì)的集成可以為探索二維集成電路在下一代集成電路中的潛力提供新的機會。

彭說：“我一直在研究二維材料超過15年，堅持一個原則—做一些有用的事情?！?“例如，我們小組在銅上合成了超扁平單晶石墨烯晶圓，并設(shè)計了用于批量合成和轉(zhuǎn)移此類石墨烯晶圓的專用設(shè)備，我認(rèn)為這對于先進(jìn)的電子工業(yè)至關(guān)重要。我們還針對2-D進(jìn)行了廣泛的研究Bi 2 O 2 Se，因為它體現(xiàn)了原子厚度，高遷移率，空氣穩(wěn)定性以及高k本征氧化物，因此使其最適合所有現(xiàn)有的2-D半導(dǎo)體中的下一代電子工業(yè)?！?/span>

研究人員收集的發(fā)現(xiàn)表明，他們發(fā)現(xiàn)的新發(fā)現(xiàn)的Bi 2 O 2 Se / Bi 2 SeO 5系統(tǒng)可能是許多電子元件中理想的硅替代品。此外，其他包含Se或Te的2-D材料可能具有相似的匹配優(yōu)質(zhì)天然氧化物，可以在以后的研究中確定。Peng和他的同事現(xiàn)在將進(jìn)一步檢查Bi 2 O 2 Se / Bi 2 SeO 5系統(tǒng)的潛力，并進(jìn)行與二維電子學(xué)有關(guān)的附加研究。

彭說：“我們計劃在各種電子設(shè)備中使用Bi 2 O 2 Se / Bi 2 SeO 5系統(tǒng)，例如憶阻器，浮柵存儲設(shè)備和隧道設(shè)備?！?“最終，我們希望構(gòu)建一個基于Bi 2 O 2 Se / Bi 2 SeO 5系統(tǒng)的器件庫，并將這些器件作為SOC組合在一起。有時，我們可能會在該庫中引入其他新穎的材料，但是我們將始終堅持二維電子技術(shù)?！?/span>