中大新聞網訊（通訊員孫勇）氧化物-半導體異質結構在場效應晶體管、憶阻器和隧穿結等功能器件中有重要作用，是半導體材料可高效應用于集成化微電子、光電子器件的關鍵。半導體硅具有高度可控的原位熱氧化工藝，使其在當今半導體工業得到廣泛應用。最近，二維材料在平面集成化功能系統中已體現誘人的應用前景，但到目前，僅極少數種類可以通過熱氧化、氧等離子體處理等方式獲得原位氧化物層，且質量及控制性不足以支撐高性能器件應用。而通過原位熱氧化的方式實現高質量單晶氧化物的相關報道較為罕見。
作為一種新型非范德瓦爾斯層狀二維材料，窄帶隙半導體Bi2O2Te在納米電子學、自旋電子學、二維鐵電體和熱電材料等方面體現了豐富的可用物性。能否發展原位氧化工藝是決定其在集成微電子、光電子領域應用前景的關鍵問題。通過系統考察Bi-Te-O三元系中各種化合物的晶體結構及能帶結構，通過氧化過程將Bi2O2Te原位轉化為高k值的Bi2TeO6或Bi2TeO5具有可行性。一方面，三者具有相同的Bi/Te化學計量比；再者，Bi2TeO6與Bi2O2Te具有相似的[Bi2O2]n2n+骨架層和高度類似的原子堆疊結構，有望通過氧化方式實現Bi2O2Te到Bi2TeO6的直接轉變，從而原位形成高質量的氧化物絕緣層/半導體界面。
在前期Bi2O2Te生長以及物性研究的基礎上（ACS Nano 2022, 16, 19543），中山大學材料科學與工程學院孫勇副教授、王成新教授團隊近期通過簡單空氣熱氧化方式，發展了Bi2O2Te逐層可控的氧化工藝。通過AC-STEM， XPS, XRD等表征以及分子動力學模擬，闡述了相關氧化機理。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]n2n-結合，直接將其轉化為[TeO4]n2n-層，同時材料的骨架結構[Bi2O2]n2n+層保持穩定，形成原位氧化物Bi2TeO6（圖1）。AC-STEM清楚地揭示了Bi2O2Te/Bi2TeO6異質結構的無應變原子級過渡高質量界面。氧化物層可通過濕化學方法進行選擇性刻蝕，體現了高度的可控性。為評估該工藝在器件應用上的可行性，構建了頂柵控制的簡易Bi2O2Te(半導體溝道)/Bi2TeO6(介電層)FET器件，輸出~103的開關比，驗證了在微電子領域的潛在應用性（圖2）。
圖1.(a-d) Bi2O2Te（氧化前）的OM圖片(a)，HAADF原子像，FFT變換圖(b, c)以及晶體結構示意圖(d)；(e-h) Bi2TeO6（氧化后）的OM圖片(e)，HAADF原子像，原子級EDS mapping (f, g)以及晶體結構示意圖(h)。
圖2. (a) Bi2O2Te/Bi2TeO6異質結構的截面TEM圖；(b) Bi2O2Te/Bi2TeO6異質結構的HAADF原子像；(c) 晶體結構示意圖；(d-g) 氧化層的可控刻蝕；(h) 氧化厚度的時間依賴性；(i) FET器件轉移曲線。
相關研究結果以“2D Bi2O2Te Semiconductor with Single-Crystal Native Oxide Layer”為題發表在材料領域期刊Advanced Functional Materials。材料科學與工程學院2020級博士研究生鄒曉彬為該論文的第一作者，王成新教授、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、田非教授在分子動力學模擬、高分辨率STEM像模擬及論文構建上作出了重要貢獻。中山大學材料科學與工程學院為論文唯一完成單位。該研究工作得到國家自然科學基金、廣東省自然科學基金的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202213807
