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西湖大学工学院李文彬课题组高性能半导体材料研究取得新进展
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材料模拟与设计实验室 工学院 2022年03月23日
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    如果我们将半导体集成电路看作是一个复杂的路网,制作集成电路的半导体材料就像是可以行驶的马路,半导体材中的电子就像是马路上的汽车。集成电路中的每个晶体管,就相当于一个个红绿灯路口,控制着车流。如何让信息的使者在整个路网里运行得更加顺畅?其中关键要素,就是减少路面上障碍物的影响,同时让汽车快速高效地通过每个路口。西湖大学工学院李文彬课题组,将目光从集成电路常见的制作材料“硅”上转向了“电子的高速公路”——铋氧硒(Bi2O2Se)。


  (新型半导体材料铋氧硒(Bi2O2Se)的原子尺度结构示意图)


    对于半导体材料,衡量其性质的一个核心指标是电子迁移率。通俗地讲,电子迁移率反映了半导体中电子运动的快慢程度,其值直接影响由半导体材料制作而成的集成电路的运行速度。一般来说,半导体的电子迁移率越高,集成电路性能提升的空间就越大。

    目前,大多数逻辑运算集成电路所使用的半导体材料都是硅。然而,经过半个多世纪的发展,通过缩小晶体管尺寸来实现硅基半导体和集成电路性能的提升,已趋近其物理极限。如何在未来进一步提升半导体材料与器件的性能,一直是科学界和产业界都在积极探索的问题。其中,采用比硅的电子迁移率更高的半导体材料来制作晶体管是一个十分活跃的研究方向。

    在众多“后硅时代”半导体材料候选体系中,层状半导体材料因其具备独特的物理性质和力学性质,成为制备高性能柔性集成电路的重要潜在材料体系。然而,在层状半导体材料这个“大家族”中,同时具备高迁移率和高环境稳定性这两个优点的成员十分罕见,限制了层状半导体的进一步发展与应用。    

    功夫不负有心人,学界近期研究发现的“黑马”打破了这一僵局。 

    铋氧硒(Bi2O2Se),是一种空气稳定的高迁移率层状半导体材料,有很高的潜在应用价值。实验测量显示,Bi2O2Se即使在有很高缺陷浓度的情况下,仍具有很高的室温电子迁移率和极高的低温电子迁移率。因此, Bi2O2Se在下一代电子与光电子器件中有重要的潜在应用前景。然而,在此工作之前,Bi2O2Se优越电子输运性质的物理起源仍不甚清楚。

    针对上述科学问题,西湖大学李文彬研究团队开始探索Bi2O2Se“身世之谜”。

    李文彬研究团队采用完全基于第一性原理电声子相互作用的理论迁移率计算,结合电离杂质散射对载流子迁移率影响的模型,系统深入阐释了Bi2O2Se优越电子输运性质的起源。研究团队发现,Bi2O2Se的高电子迁移率与其独特的层间铁电相变密切相关。计算结果表明,由于同时具有较小的载流子有效质量和较弱的电声子相互作用,Bi2O2Se受电声子相互作用限制的室温理论迁移率超过200 cm2V-1s-1,而低温(10 K)下的理论迁移率更是高达5×10^7cm2V-1s-1,在硫氧族半导体材料体系中是罕见的。尤其特殊的是,研究发现,Bi2O2Se中Bi2O2层与Se层之间的层间剪切声子振动模有很低的振动频率,使得Bi2O2Se具有异常高的静态介电常数,对电离缺陷导致的载流子散射起到很大的抑制作用。理论计算结果表明,在半导体中常见的电离杂质浓度¬下,Bi2O2Se的低温电子理论总迁移率可高达46000 cm2V-1s-1。而Bi2O2Se的室温电子迁移率也因受电离杂质散射的影响很小,趋近理论声子散射限制的电子迁移率,与其他层状半导体材料(如MoS2等)有很大不同(图1)。


图1. 应变诱导初始铁电性可实现Bi2O2Se载流子迁移率的巨幅增长。(a)由于与铁电相变点接近,Bi2O2Se具有比其他层状半导体高得多的静态介电常数。(b)介电常数增加可使载流子与电离杂质散射减小的示意图。随着介电常数增加,电离缺陷的库仑场可被更有效地屏蔽,从而减小其对载流子的散射。(c)对Bi2O2Se施加1.7%左右的双轴应力可进一步诱导其朝层间铁电相变点靠近,使得面内静态介电常数在相变点附近显著增大。(d,e)计算结果表明,通过诱导初始铁电性而导致的静态介电常数增长,Bi2O2Se的低温电子迁移率可在很大的电离缺陷浓度范围内实现一到两个数量级的增长,而室温载流子迁移率可以得到很好的保护,避免因缺陷库仑势的散射而减小。


    在揭开Bi2O2Se“身世之谜”后,团队还收获了意外之喜,发现了进一步提升材料电子迁移率的方法。

    研究团队发现,对Bi2O2Se施加约1.7%的双轴应变可导致层间剪切声子模完全软化,导致层间铁电相变发生。在铁电相变发生前(初始铁电相变区),计算结果表明Bi2O2Se的理论电声子散射限制的载流子迁移率变化很小,而电离杂质散射却因为初始铁电相变导致的更高静态介电常数而被显著抑制,使得Bi2O2Se的低温电子迁移率可在很大的电离缺陷浓度范围内提升一个数量级以上(图1),这在类似半导体材料体系中是前所未有的。与此同时,Bi2O2Se的室温电子迁移率也因此得到进一步的保护,避免了其他层状半导体材料中室温电子迁移率因电离杂质散射显著低于理论值的问题。

    研究团队进一步发现,还有许多潜在的硫系半导体材料处于铁电相变的边缘,可以通过应变诱导初始铁电相变实现类似Bi2O2Se的迁移率巨幅增长。通过构建理论框架,研究团队阐明了该迁移率提升路径的适用材料体系,为下一步搜寻和设计更多类似高迁移率半导体材料指明了方向。

    该工作不仅全面系统深入阐释了Bi2O2Se高电子迁移率的起源,并且提出了通过应变诱导初始铁电相变来获得半导体材料高电子迁移率的新路径,对发展新型基于相变和介电性能调控的高迁移率半导体材料具有重要的指导意义。文章已发表于国际知名期刊《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 4541–4549. DOI: 10.1021/jacs.1c12681)。

    西湖大学工学院李文彬团队二年级博士生朱子夜为本文第一作者,李文彬为通讯作者。博士生姚晓萍、赵澍以及西湖大学理学院PI林效为合作作者。研究得到了国家自然科学基金、西湖大学交叉学科初创中心、西湖教育基金的资助,以及西湖大学高性能计算中心的计算资源支持。