中大新闻网讯（通讯员孙勇）氧化物-半导体异质结构在场效应晶体管、忆阻器和隧穿结等功能器件中有重要作用，是半导体材料可高效应用于集成化微电子、光电子器件的关键。半导体硅具有高度可控的原位热氧化工艺，使其在当今半导体工业得到广泛应用。最近，二维材料在平面集成化功能系统中已体现诱人的应用前景，但到目前，仅极少数种类可以通过热氧化、氧等离子体处理等方式获得原位氧化物层，且质量及控制性不足以支撑高性能器件应用。而通过原位热氧化的方式实现高质量单晶氧化物的相关报道较为罕见。
作为一种新型非范德瓦尔斯层状二维材料，窄带隙半导体Bi2O2Te在纳米电子学、自旋电子学、二维铁电体和热电材料等方面体现了丰富的可用物性。能否发展原位氧化工艺是决定其在集成微电子、光电子领域应用前景的关键问题。通过系统考察Bi-Te-O三元系中各种化合物的晶体结构及能带结构，通过氧化过程将Bi2O2Te原位转化为高k值的Bi2TeO6或Bi2TeO5具有可行性。一方面，三者具有相同的Bi/Te化学计量比；再者，Bi2TeO6与Bi2O2Te具有相似的[Bi2O2]n2n+骨架层和高度类似的原子堆叠结构，有望通过氧化方式实现Bi2O2Te到Bi2TeO6的直接转变，从而原位形成高质量的氧化物绝缘层/半导体界面。
在前期Bi2O2Te生长以及物性研究的基础上（ACS Nano 2022, 16, 19543），中山大学材料科学与工程学院孙勇副教授、王成新教授团队近期通过简单空气热氧化方式，发展了Bi2O2Te逐层可控的氧化工艺。通过AC-STEM， XPS, XRD等表征以及分子动力学模拟，阐述了相关氧化机理。在高温下，材料表面吸附的氧原子可穿透[Bi2O2]n2n+层，与底层的[Te]n2n-结合，直接将其转化为[TeO4]n2n-层，同时材料的骨架结构[Bi2O2]n2n+层保持稳定，形成原位氧化物Bi2TeO6（图1）。AC-STEM清楚地揭示了Bi2O2Te/Bi2TeO6异质结构的无应变原子级过渡高质量界面。氧化物层可通过湿化学方法进行选择性刻蚀，体现了高度的可控性。为评估该工艺在器件应用上的可行性，构建了顶栅控制的简易Bi2O2Te(半导体沟道)/Bi2TeO6(介电层)FET器件，输出~103的开关比，验证了在微电子领域的潜在应用性（图2）。
图1.(a-d) Bi2O2Te（氧化前）的OM图片(a)，HAADF原子像，FFT变换图(b, c)以及晶体结构示意图(d)；(e-h) Bi2TeO6（氧化后）的OM图片(e)，HAADF原子像，原子级EDS mapping (f, g)以及晶体结构示意图(h)。
图2. (a) Bi2O2Te/Bi2TeO6异质结构的截面TEM图；(b) Bi2O2Te/Bi2TeO6异质结构的HAADF原子像；(c) 晶体结构示意图；(d-g) 氧化层的可控刻蚀；(h) 氧化厚度的时间依赖性；(i) FET器件转移曲线。
相关研究结果以“2D Bi2O2Te Semiconductor with Single-Crystal Native Oxide Layer”为题发表在材料领域期刊Advanced Functional Materials。材料科学与工程学院2020级博士研究生邹晓彬为该论文的第一作者，王成新教授、孙勇副教授为论文的共同通讯作者，李岩副教授、邹逸超副教授、田非教授在分子动力学模拟、高分辨率STEM像模拟及论文构建上作出了重要贡献。中山大学材料科学与工程学院为论文唯一完成单位。该研究工作得到国家自然科学基金、广东省自然科学基金的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202213807
