中大新聞網(wǎng)訊（通訊員孫勇）氧化物-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)在場(chǎng)效應(yīng)晶體管、憶阻器和隧穿結(jié)等功能器件中有重要作用，是半導(dǎo)體材料可高效應(yīng)用于集成化微電子、光電子器件的關(guān)鍵。半導(dǎo)體硅具有高度可控的原位熱氧化工藝，使其在當(dāng)今半導(dǎo)體工業(yè)得到廣泛應(yīng)用。最近，二維材料在平面集成化功能系統(tǒng)中已體現(xiàn)誘人的應(yīng)用前景，但到目前，僅極少數(shù)種類(lèi)可以通過(guò)熱氧化、氧等離子體處理等方式獲得原位氧化物層，且質(zhì)量及控制性不足以支撐高性能器件應(yīng)用。而通過(guò)原位熱氧化的方式實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量單晶氧化物的相關(guān)報(bào)道較為罕見(jiàn)。

作為一種新型非范德瓦爾斯層狀二維材料，窄帶隙半導(dǎo)體Bi₂O₂Te在納米電子學(xué)、自旋電子學(xué)、二維鐵電體和熱電材料等方面體現(xiàn)了豐富的可用物性。能否發(fā)展原位氧化工藝是決定其在集成微電子、光電子領(lǐng)域應(yīng)用前景的關(guān)鍵問(wèn)題。通過(guò)系統(tǒng)考察Bi-Te-O三元系中各種化合物的晶體結(jié)構(gòu)及能帶結(jié)構(gòu)，通過(guò)氧化過(guò)程將Bi₂O₂Te原位轉(zhuǎn)化為高k值的Bi₂TeO₆或Bi₂TeO₅具有可行性。一方面，三者具有相同的Bi/Te化學(xué)計(jì)量比；再者，Bi₂TeO₆與Bi₂O₂Te具有相似的[Bi₂O₂]n²ⁿ⁺骨架層和高度類(lèi)似的原子堆疊結(jié)構(gòu)，有望通過(guò)氧化方式實(shí)現(xiàn)Bi₂O₂Te到Bi₂TeO₆的直接轉(zhuǎn)變，從而原位形成高質(zhì)量的氧化物絕緣層/半導(dǎo)體界面。

在前期Bi₂O₂Te生長(zhǎng)以及物性研究的基礎(chǔ)上（ACS Nano 2022, 16, 19543），中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院孫勇副教授、王成新教授團(tuán)隊(duì)近期通過(guò)簡(jiǎn)單空氣熱氧化方式，發(fā)展了Bi₂O₂Te逐層可控的氧化工藝。通過(guò)AC-STEM， XPS, XRD等表征以及分子動(dòng)力學(xué)模擬，闡述了相關(guān)氧化機(jī)理。在高溫下，材料表面吸附的氧原子可穿透[Bi₂O₂]n²ⁿ⁺層，與底層的[Te]n^2n-結(jié)合，直接將其轉(zhuǎn)化為[TeO₄]n^2n-層，同時(shí)材料的骨架結(jié)構(gòu)[Bi₂O₂]n²ⁿ⁺層保持穩(wěn)定，形成原位氧化物Bi₂TeO₆（圖1）。AC-STEM清楚地揭示了Bi₂O₂Te/Bi₂TeO₆異質(zhì)結(jié)構(gòu)的無(wú)應(yīng)變?cè)蛹?jí)過(guò)渡高質(zhì)量界面。氧化物層可通過(guò)濕化學(xué)方法進(jìn)行選擇性刻蝕，體現(xiàn)了高度的可控性。為評(píng)估該工藝在器件應(yīng)用上的可行性，構(gòu)建了頂柵控制的簡(jiǎn)易Bi₂O₂Te(半導(dǎo)體溝道)/Bi₂TeO₆(介電層)FET器件，輸出~10³的開(kāi)關(guān)比，驗(yàn)證了在微電子領(lǐng)域的潛在應(yīng)用性（圖2）。

圖1.(a-d) Bi₂O₂Te（氧化前）的OM圖片(a)，HAADF原子像，F(xiàn)FT變換圖(b, c)以及晶體結(jié)構(gòu)示意圖(d)；(e-h) Bi₂TeO₆（氧化后）的OM圖片(e)，HAADF原子像，原子級(jí)EDS mapping (f, g)以及晶體結(jié)構(gòu)示意圖(h)。

圖2. (a) Bi₂O₂Te/Bi₂TeO₆異質(zhì)結(jié)構(gòu)的截面TEM圖；(b) Bi₂O₂Te/Bi₂TeO₆異質(zhì)結(jié)構(gòu)的HAADF原子像；(c) 晶體結(jié)構(gòu)示意圖；(d-g) 氧化層的可控刻蝕；(h) 氧化厚度的時(shí)間依賴(lài)性；(i) FET器件轉(zhuǎn)移曲線(xiàn)。

相關(guān)研究結(jié)果以“2D Bi₂O₂Te Semiconductor with Single-Crystal Native Oxide Layer”為題發(fā)表在材料領(lǐng)域期刊Advanced Functional Materials。材料科學(xué)與工程學(xué)院2020級(jí)博士研究生鄒曉彬?yàn)樵撜撐牡牡谝蛔髡撸醭尚陆淌?、孫勇副教授為論文的共同通訊作者，李巖副教授、鄒逸超副教授、田非教授在分子動(dòng)力學(xué)模擬、高分辨率STEM像模擬及論文構(gòu)建上作出了重要貢獻(xiàn)。中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院為論文唯一完成單位。該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202213807