半导体材料是电子信息产业的基石。目前，随着晶体管特征尺寸的缩小，由于短沟道效应等物理规律和制造成本的限制，主流硅基材料与CMOS(互补金属氧化物半导体)技术正发展到10纳米工艺节点而很难提升，摩尔定律可能终结。

因此，开发新型高性能半导体沟道材料和新原理晶体管技术，是科学界和产业界近20年来的主流研究方向之一。在众多CMOS沟道材料体系中，相比于一维纳米线和碳纳米管，高迁移率二维半导体的器件加工与传统微电子工艺兼容更好，同时其超薄平面结构可有效抑制短沟道效应，被认为是构筑后硅时代纳电子器件和数字集成电路的理想沟道材料。

然而，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)无法同时满足超高迁移率、合适带隙、环境稳定和可批量制备的现实要求，开发符合要求的高性能二维半导体新材料体系迫在眉睫。

近日，北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授课题组与合作者首次发现一类同时具有超高电子迁移率、合适带隙、环境稳定和可批量制备特点的全新二维半导体(硒氧化铋，Bi2O2Se)，在场效应晶体管器件和量子输运方面展现出优异性能。

彭海琳课题组基于前期对拓扑绝缘体(Bi2Se3，Bi2Te3)等二维量子材料的系统研究，提出用轻元素部分取代拓扑绝缘体中的重元素，以降低重元素的自旋-轨道耦合等相对论效应，进而调控其能带结构，消除金属性拓扑表面态，获得高迁移率二维半导体。

经过材料的理论设计和数年的实验探索，该课题组发现了一类全新的超高迁移率半导体型层状氧化物材料Bi2O2Se，并利用化学气相沉积(CVD)法制备了高稳定性的二维Bi2O2Se晶体。基于理论计算和电学输运实验测量，证明Bi2O2Se材料具有合适带隙(～0.8eV)、极小的电子有效质量(～0.14m0)和超高的电子迁移率。

系统的输运测量表明：CVD制备的二维晶体在未封装时的低温霍尔迁移率可高于20000cm2/V·s，展示了显著的SdH量子振荡行为;标准的Bi2O2Se顶栅场效应晶体管展现了很高的室温表观场效应迁移率(～2000cm2/V·s)和霍尔迁移率(～450cm2/V·s)、很大的电流开关比(>106)以及理想的器件亚阈值摆幅(～65mV/dec)。

二维Bi2O2Se这些优异性能和综合指标已经超过了已有的一维和二维材料体系。Bi2O2Se这种高迁移率半导体特性还可能拓展到其他铋氧硫族材料(BOX：Bi2O2S、Bi2O2Se、Bi2O2Te)。结合其出色的环境稳定性和易于规模制备的特点，超高迁移率二维半导体BOX材料体系在构筑超高速和低功耗电子器件方面具有独特优势，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实际应用价值。

半导体材料

半导体材料（semiconductor material）是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。

主要种类

半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。

元素半导体 　在元素周期表的ⅢA族至IVA族分布着11种具有半导性的元素，下表的黑框中即这11种元素半导体,其中C表示金刚石。C、P、Se具有绝缘体与半导体两种形态;B、Si、Ge、Te具有半导性；Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。P的熔点与沸点太低,Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不大。As、Sb、Sn的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。B、C、Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。因此这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素已得到利用。Ge、Si仍是所有半导体材料中应用最广的两种材料。

无机化合物半导体 　分二元系、三元系、四元系等。 二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ族:SiC和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。②Ⅲ-Ⅴ族:由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In和V族元素P、As、Sb组成，典型的代表为GaAs。它们都具有闪锌矿结构,它们在应用方面仅次于Ge、Si,有很大的发展前途。③Ⅱ-Ⅵ族:Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物，是一些重要的光电材料。ZnS、CdTe、HgTe具有闪锌矿结构。④Ⅰ－Ⅶ族：Ⅰ族元素Cu、Ag、Au和 Ⅶ族元素Cl、Br、I形成的化合物，其中CuBr、CuI具有闪锌矿结构。⑤Ⅴ-Ⅵ族：Ⅴ族元素As、Sb、Bi和Ⅵ族元素 S、Se、Te形成的化合物具有的形式,如Bi2Te3、Bi2Se3、Bi2S3、As2Te3等是重要的温差电材料。⑥第四周期中的B族和过渡族元素Cu、 Zn、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni的氧化物,为主要的热敏电阻材料。⑦某些稀土族元素 Sc、Y、Sm、Eu、Yb、Tm与Ⅴ族元素N、As或Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物。 除这些二元系化合物外还有它们与元素或它们之间的固溶体半导体，例如Si-AlP、Ge-GaAs、InAs-InSb、AlSb-GaSb、InAs-InP、GaAs-GaP等。研究这些固溶体可以在改善单一材料的某些性能或开辟新的应用范围方面起很大作用。

三元系包括：族:这是由一个Ⅱ族和一个Ⅳ族原子去替代Ⅲ－Ⅴ族中两个Ⅲ族原子所构成的。例如ZnSiP2、ZnGeP2、ZnGeAs2、CdGeAs2、CdSnSe2等。族：这是由一个Ⅰ族和一个Ⅲ族原子去替代Ⅱ-Ⅵ族中两个Ⅱ族原子所构成的, 如 CuGaSe2、AgInTe2、 AgTlTe2、CuInSe2、CuAlS2等。：这是由一个Ⅰ族和一个Ⅴ族原子去替代族中两个Ⅲ族原子所组成,如Cu3AsSe4、Ag3AsTe4、Cu3SbS4、Ag3SbSe4等。此外，还有它的结构基本为闪锌矿的四元系（例如Cu2FeSnS4）和更复杂的无机化合物。

有机化合物半导体 　已知的有机半导体有几十种，熟知的有萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，它们作为半导体尚未得到应用。

非晶态与液态半导体 　这类半导体与晶态半导体的最大区别是不具有严格周期性排列的晶体结构。

新型有机半导体材料

其结构稳定，拥有卓越的电学特性，而且成本低廉，可被用于制造现代电子设备中广泛使用的场效应晶体管。

科学家们表示，最新研究有望让人造皮肤、智能绷带、柔性显示屏、智能挡风玻璃、可穿戴的电子设备和电子墙纸等变成现实。

昂贵的原因主要因为电视机、电脑和手机等电子产品都由硅制成，制造成本很高;而碳基(塑料)有机电子产品不仅制造方便、成本低廉，而且轻便柔韧可弯曲，代表了“电子设备无处不在”这一未来趋势。

以前的研究表明，碳结构越大，其性能越优异。但科学家们一直未曾研究出有效的方法来制造更大的、稳定的、可溶解的碳结构以进行研究，直到此次祖切斯库团队研制出这种新的用于制造晶体管的有机半导体材料。

有机半导体是一种塑料材料，其拥有的特殊结构让其具有导电性。在现代电子设备中，电路使用晶体管控制不同区域之间的电流。科学家们对新的有机半导体材料进行了研究并探索了其结构与电学属性之间的关系。

半导体相关材料

单晶制备

为了消除多晶材料中各小晶体之间的晶粒间界对半导体材料特性参量的巨大影响，半导体器件的基体材料一般采用单晶体。单晶制备一般可分大体积单晶(即体单晶)制备和薄膜单晶的制备。体单晶的产量高，利用率高，比较经济。但很多的器件结构要求厚度为微米量级的薄层单晶。由于制备薄层单晶所需的温度较低，往往可以得到质量较好的单晶。具体的制备方法有：①从熔

体中拉制单晶：用与熔体相同材料的小单晶体作为籽晶，当籽晶与熔体接触并向上提拉时，熔体依靠表面张力也被拉出液面，同时结晶出与籽晶具有相同晶体取向的单晶体。②区域熔炼法制备单晶：用一籽晶与半导体锭条在头部熔接，随着熔区的移动则结晶部分即成单晶。③从溶液中再结晶。④从汽相中生长单晶。前两种方法用来生长体单晶，用提拉法已经能制备直径为200毫米,长度为1～2米的锗、硅单晶体。后两种方法主要用来生长薄层单晶。这种薄层单晶的生长一般称外延生长，薄层材料就生长在另一单晶材料上。这另一单晶材料称为衬底，一方面作为薄层材料的附着体，另一方面即为单晶生长所需的籽晶。衬底与外延层可以是同一种材料(同质外延)，也可以是不同材料（异质外延）。采用从溶液中再结晶原理的外延生长方法称液相外延；采用从汽相中生长单晶原理的称汽相外延。液相外延就是将所需的外延层材料(作为溶质，例如GaAs)，溶于某一溶剂（例如液态镓）成饱和溶液，然后将衬底浸入此溶液，逐渐降低其温度，溶质从过饱和溶液中不断析出，在衬底表面结晶出单晶薄层。汽相外延生长可以用包含所需材料为组分的某些化合物气体或蒸汽通过分解或还原等化学反应淀积于衬底上，也可以用所需材料为源材料，然后通过真空蒸发、溅射等物理过程使源材料变为气态，再在衬底上凝聚。分子束外延是一种经过改进的真空蒸发工艺。利用这种方法可以精确控制射向衬底的蒸气速率，能获得厚度只有几个原子厚的超薄单晶，并可得到不同材料不同厚度的互相交叠的多层外延材料。非晶态半导体虽然没有单晶制备的问题，但制备工艺与上述方法相似，一般常用的方法是从汽相中生长薄膜非晶材料。

宽带隙半导体材料

氮化镓、碳化硅和氧化锌等都是宽带隙半导体材料，因为它的禁带宽度都在3个电子伏以上，在室温下不可能将价带电子激发到导带。器件的工作温度可以很高，比如说碳化硅可以工作到600摄氏度；金刚石如果做成半导体，温度可以更高，器件可用在石油钻探头上收集相关需要的信息。它们还在航空、航天等恶劣环境中有重要应用。广播电台、电视台，唯一的大功率发射管还是电子管，没有被半导体器件代替。这种电子管的寿命只有两三千小时，体积大，且非常耗电；如果用碳化硅的高功率发射器件，体积至少可以减少几十到上百倍，寿命也会大大增加，所以高温宽带隙半导体材料是非常重要的新型半导体材料。

这种材料非常难生长，硅上长硅，砷化镓上长GaAs，它可以长得很好。但是这种材料大多都没有块体材料，只得用其它材料做衬底去长。比如说氮化镓在蓝宝石衬底上生长，蓝宝石跟氮化镓的热膨胀系数和晶格常数相差很大，长出来的外延层的缺陷很多，这是最大的问题和难关。另外这种材料的加工、刻蚀也都比较困难。科学家正在着手解决这个问题，如果这个问题一旦解决，就可以提供一个非常广阔的发现新材料的空间。

低维半导体材料

实际上这里说的低维半导体材料就是纳米材料，之所以不愿意使用这个词，发展纳米科学技术的重要目的之一，就是人们能在原子、分子或者纳米的尺度水平上来控制和制造功能强大、性能优越的纳米电子、光电子器件和电路，纳米生物传感器件等，以造福人类。可以预料，纳米科学技术的发展和应用不仅将彻底改变人们的生产和生活方式，也必将改变社会政治格局和战争的对抗形式。这也是为什么人们对发展纳米半导体技术非常重视的原因。

电子在块体材料里，在三个维度的方向上都可以自由运动。

但当材料的特征尺寸在一个维度上比电子的平均自由程相比更小的时候，电子在这个方向上的运动会受到限制，电子的能量不再是连续的，而是量子化的，我们称这种材料为超晶格、量子阱材料。量子线材料就是电子只能沿着量子线方向自由运动，另外两个方向上受到限制；量子点材料是指在材料三个维度上的尺寸都要比电子的平均自由程小，电子在三个方向上都不能自由运动，能量在三个方向上都是量子化的。

由于上述的原因，电子的态密度函数也发生了变化，块体材料是抛物线，电子在这上面可以自由运动；如果是量子点材料，它的态密度函数就像是单个的分子、原子那样，完全是孤立的 函数分布，基于这个特点，可制造功能强大的量子器件。

大规模集成电路的存储器是靠大量电子的充放电实现的。大量电子的流动需要消耗很多能量导致芯片发热，从而限制了集成度，如果采用单个电子或几个电子做成的存储器，不但集成度可以提高，而且功耗问题也可以解决。激光器效率不高，因为激光器的波长随着温度变化，一般来说随着温度增高波长要红移，所以光纤通信用的激光器都要控制温度。如果能用量子点激光器代替现有的量子阱激光器，这些问题就可迎刃而解了。

基于GaAs和InP基的超晶格、量子阱材料已经发展得很成熟，广泛地应用于光通信、移动通讯、微波通讯的领域。量子级联激光器是一个单极器件，是近十多年才发展起来的一种新型中、远红外光源，在自由空间通信、红外对抗和遥控化学传感等方面有着重要应用前景。它对MBE制备工艺要求很高，整个器件结构几百到上千层，每层的厚度都要控制在零点几个纳米的精度，中国在此领域做出了国际先进水平的成果；又如多有源区带间量子隧穿输运和光耦合量子阱激光器，它具有量子效率高、功率大和光束质量好的特点，中国已有很好的研究基础；在量子点（线）材料和量子点激光器等研究方面也取得了令国际同行瞩目的成绩。

【相关信息】新型二维半导体材料

犹他大学的研究者近期发现一种特别的二维半导体材料，可以用于制造处理速度更加快速，功耗更小的智能手机和电脑。

犹他大学材料科学与工程学院副教授Ashutosh Tiwari在基板上堆覆了一种新发现的锡氧化合物二维材料。Tiwaji和他的团队发现这种材料相较于传统的三维材料（比如Si），其电荷可以以更快的速度穿过自身。这项突破能够用于制造速度更快、功耗更小并且低发热的电脑、手机等配件。

这种半导体是一种锡氧化合物，又称作锡石（SnO）。二维材料只有一个原子的厚度，相比于传统的诸如Si这样的三维材料，二维材料的电荷移动速度更快。这种二维半导体材料可用于所有电子设备的核心——晶体管，例如移动电话及笔记本电脑内置的的图形处理器与中央处理器。

犹他大学材料科学与工程学院的Ashutosh Tiwari副教授团队研发了这种新型材料，并于2月15日在先进电子材料期刊发表了他们的研究成果，同时登上了该杂志的封面。

目前，电子器件中的晶体管和其他部件都是由三维材料制得，例如硅材料，这类材料在玻璃基质上堆叠成多层结构，电子在层与层之间运动的无序性是该类材料的一大缺陷。关于二维材料的研究热潮已经持续了五年，这类材料最显着的优势在于，单电子层有一个或者两个原子的厚度，正如Tiwari所说，这种情况“使得电子只能在一个电子层移动，从而速度更快”。

研究人员近期已发现了多种类型的二维材料，例如二硫化钼、石墨烯及硼球烯。但是这些材料只适合N型电子或者负电子的运动。

一个电子设备当中，半导体材料需要同时允许电子以及正电荷的运动，以便形成“空穴”。Tiwari发现的一氧化锡材料是首例稳定的P型半导体二维材料。

如今我们有了一切——我们发现了P型二维半导体材料及N型二维半导体材料。前景会更加明朗，进展会更加快速。

Ashutosh Tiwari, Associate Professor, Materials Science and Engineering, University of Utah

Tiwari及他的团队研发的最新二维材料可以使得晶体管微型化及快速化。计算机处理器由数以亿计的晶体管组成，越多含芯片的晶体管，处理器越强大。假使这种材料应用于手机及计算机的晶体管中，电子器件的运行速度将是以往的100倍。

区别于三维材料，二维材料电子在单层移动减少了摩擦阻力，其结果就是不至于导致像普通电脑芯片一样发热。它们几乎不需要动力来运行，这也是其应用在移动电子产品电池的巨大优势。

Tiwari表明这种突破性材料也可以应用在医疗设备中，例如电子器官的植入，可以使得其在单电池充电的情况下工作较长时间。

这个研究领域当下很热，人们都表现出了极大的兴趣。可能2-3年内我们就将看到该类材料应用的实物。

Ashutosh Tiwari, Associate Professor, Materials Science and Engineering, University of Utah

这项研究的其他参与者包括犹他大学材料科学与工程学院的博士生K. J. Saji 和 Kun Tian，以及俄亥俄州莱特-帕特森空军实验室的Michael Snure。