实现大面积的少层黑磷薄膜生长及其晶体管阵列
半导体微电子设备的快速更新换代有赖于经典的摩尔定律，但在经过一个世纪的发展之后，传统硅半导体工艺技术已经几乎达到了摩尔极限。新世纪伊始，二维（2D）半导体材料的发现使得突破摩尔极限成为了可能。二维层状材料拥有原子级的厚度，受量子约束在2D平面上的高效载流子输运能力，以及多种优异而独特的物理性能，并能与经典的互补金属氧化物半导体(CMOS)技术兼容。大规模二维半导体集成电路的工业产业化将高度依赖于可靠的高质量大面积均匀超薄薄膜制备流程。黑磷（BP）以其高迁移率、禁带宽度覆盖目前主要半导体范围的可调性、奇异的光学和量子性质等，成为了最受关注的二维半导体材料之一，但大面积超薄黑磷薄膜的制备一直是多年困扰本研究领域的瓶颈，极大地限制了二维黑磷在半导体集成工艺中的可能应用。
香港理工大学郝建华教授课题组联合中国科学技术大学陈仙辉教授，利用脉冲激光沉积法（PLD），可控地制备了厘米级别的高质量超薄少层黑磷薄膜，成功地打破了二维黑磷潜在应用于大规模半导体集成电路的材料制备工艺壁垒。脉冲激光沉积法提供了有利于高活性的黑磷等离子基团/团簇形成的高温高压条件。通过该方法生长的超薄少层黑磷薄膜具有厘米尺寸级别的高均匀性和高结晶质量，同时在高分辨透射电子显微镜下可以观察到长程有序的原子晶格以及清晰的截面层状结构（图1)。进一步，研究人员利用大尺寸黑磷薄膜，制备了场效应晶体管（FET）阵列，亦展现出高场效应空穴迁移率和开关比（图 2），这为进一步开发基于半导体BP的晶片级微电子和光电子集成设备阵列和信息系统开辟了新方向，也为二维黑磷乃至整体二维材料在下一代大规模半导体集成工艺中的应用提供了可能性。
图1. 少层超薄黑磷薄膜的微观结构表征。(a-c) 高分辨率TEM图像，及对应的选区电子衍射（SAED）图像。(d) 样品上不同位置的薄层云母/黑磷切片的SAED图像。(e) 单独的云母晶格和黑磷晶格的SAED图像。(f) 衍射图样过滤微分后的暗场TEM扫面图像。图d-f中，黑磷晶格的衍射及显微结果以红色标记，云母晶格的衍射及显微结果以橙色标记。(g-h) 不同厚度黑磷超薄薄膜的截面TEM图像。
图 2. 大面积超薄黑磷薄膜的电学性能及其晶体管阵列。(a-b) 利用离子液体作为介电质的顶栅场效应晶体管的立体和截面示意图。(c) 不同栅电压下器件源漏电极之间的I-V曲线。（d) 基于2，5和10 nm黑磷超薄薄膜制备的顶栅FET的转移特性曲线。(e) 不同厚度的黑磷超薄薄膜的场效应空穴迁移率和晶体管电流开关比。(f) 基于超薄黑磷薄膜制备的大面积FET阵列，表现出了大尺寸上均匀的电学性能。
相关研究成果以 《少层二维黑磷的大面积生长》 （Large-scale growth of few-layer two-dimensional black phosphorus）为题发表在 《自然·材料》 （Nature Materials 20, 1203 (2021)）上。该工作一经发表即引起密切的关注，ACS Chemical & Engineering News （May 15, 2021, Volume 99, Issue 18) 和 Nature Materials News & Views (Nat. Mater., 20, 1174（2021）) 也发表了新闻专题报告，称其为奠基性工作。表明该工作在二维材料研究领域中具有很高的关注度和重要的价值。此研究工作中，香港理工大学博士生吴泽涵为第一作者，郝建华教授以及中国科学技术大学陈仙辉教授为共同通讯作者，国家自然科学基金委、香港研究资助局和香港理工大学基金提供了支持。
