北大新材料研究助力突破二维高迁移率半导体器件与超薄介电层集成瓶颈

作为产业发展历程中*重要的原材料，半导体硅的性质非常优异且均衡，一直是半导体和集成电路产业界的**主流材料，其中一个关键原因是硅的自身氧化物二氧化硅同时兼具高度致密、均匀、绝缘的特性，且二者界面质量高。热氧化产生的二氧化硅层可用作器件的栅介质、晶圆表面钝化层、扩散掺杂阻挡层等等，作为硅的**伴侣在各种电子器件和数字集成电路的加工和应用中发挥了极其重要的作用。除硅之外的其它半导体材料大都不具备可比肩二氧化硅的高质量自身氧化物。然而，二氧化硅过低的介电常数（ε=3.9）限制了其在先进制程工艺的应用，随着主流制程节点向5nm以下迈进，硅/二氧化硅这一半导体/氧化物体系已经接近物理极限。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(ε>10)超薄高质量氧化物介电层，成为科学界和产业界的近20年来主流研究方向之一。

回望集成电路工艺的发展过程，栅介质层厚度的不断减少成为了缩小晶体管特征尺寸的重要路径之一，但随着器件尺寸的不断减少，传统的二氧化硅膜愈来愈无法满足工艺需求，本项研究工作中的二维Bi2O2Se/Bi2SeO5是首例报道的半导体/本征氧化物高κ栅介质体系，Bi2SeO5的高介电常数、鲁棒性以及等效氧化物厚度能够降低到0.9nm等性质，能够为其在微电子器件中的应用提供很大潜力，结合高迁移率二维半导体材料的超薄平面结构可抑制短沟道效应，有望解决摩尔定律进一步向前发展的瓶颈问题，给微纳电子器件带来新的技术变革，具有重要的基础科学意义和应用价值，期待这项成果能够在突破摩尔定律的技术探索之路上发挥重要的作用。