在芯片、光电子及新能源等前沿领域，新型低维半导体单晶薄膜是构建下一代高性能器件的关键材料基础。后摩尔时代，传统的硅基半导体材料已趋近其物理极限，而兼具原子级厚度及优异光电特性的高迁移率二维半导体材料，成为突破现有技术瓶颈的重要方向。然而，当前基于非工业衬底的单晶薄膜外延技术虽已取得进展，却受限于衬底成本高、尺寸小等问题，严重制约其规模化应用。
因此，将单晶薄膜外延平台转移至硅、蓝宝石、碳化硅等工业衬底，直接外延集成高质量二维半导体单晶薄膜，已成为连接实验室创新与产业化落地的关键路径。这类工业衬底兼具高热稳定、优良绝缘和化学惰性，以及成本可控、工艺成熟、产线兼容等综合优势，不仅为二维半导体的晶圆级均匀外延提供了理想平台，更是保障器件性能一致性、提升良率与控制成本的关键。
综上所述，在硅与蓝宝石等工业衬底上直接外延高迁移率二维半导体单晶薄膜，不仅能充分释放新材料在光电集成等领域的性能潜力，更可推动新一代芯片材料技术从原型走向量产，对实现高性能、低功耗及三维集成等目标具有战略意义，并为新一代信息技术和能源器件的低成本制造奠定坚实材料基础。
近年来，北京大学彭海琳课题组开发了一种新型超高迁移率铋基二维半导体（硒氧化铋Bi2O2Se）及其高κ原生氧化物栅介质材料（α-Bi2SeO5与β-Bi2SeO5），并基于此体系制备了一系列高性能二维晶体管、红外探测器、传感器以及量子霍尔器件，并率先开发出全球首例外延高κ栅介质集成型二维鳍式晶体管和首例低功耗二维环栅晶体管。
近日，北京大学彭海琳课题组首次在工业衬底上实现了面向全环栅晶体管（GAAFET）的可转移铋基二维半导体Bi2O2Se单晶晶圆的均匀外延。研究团队建立了缓冲层辅助的范德华外延（buffered van der Waals epitaxy）方法，在r面蓝宝石工业衬底上实现了晶圆级均匀的单晶二维高κ栅介质/半导体/高κ栅介质（β-Bi2SeO5/Bi2O2Se/α-Bi2SeO5）GAA异质结构的精准合成（图1）。外延制备的二维GAA异质结构在整个晶圆范围内表现出原子级平整的界面、优异的均匀性和高晶体质量。
图1 面向全环栅晶体管的可转移二维单晶晶圆的均匀外延。（a）外延晶圆级可转移单晶基二维环栅（GAA）异质结构的合成与设计思路图；（b）梯度氧化制备单晶二维β-Bi2SeO5/Bi2O2Se/α-Bi2SeO5 GAA异质结晶圆；（c）二维GAA异质结晶圆级稳定制备；（d）Si/SiO2衬底表面三层二维GAA异质结构的垂直堆叠异质集成；（e）二维GAA异质结电学性质（开关电流和迁移率）统计；（f）晶圆级二维全环栅晶体管阵列。
此外，由于在r面蓝宝石衬底上引入高κ范德华缓冲层氧化物α-Bi2SeO5，可有效降低衬底与二维GAA异质结构之间的晶格失配，从而确保单晶性和晶圆级均匀性。高κ缓冲层氧化物的范德华间隙具有所有界面中最低的结合能，导致二维GAA异质结构的可规模化地从外延r面蓝宝石晶圆表面剥离，使得二维GAA异质结构可以被完整转移至多种目标衬底，进而外延r面蓝宝石晶圆实现重复利用。基于该二维GAA异质结构制备的全环栅场效应晶体管，具有优异的栅极可控性，展现出超过10⁶的开关比以及高达227 cm²/Vs的迁移率。该研究工作使铋基二维半导体材料体系摆脱了传统钙钛矿氧化物和云母衬底尺寸的限制，从而能够在工业级大面积蓝宝石衬底上进行制备。此外，其可转移特性确保了与现有硅基工业系统的良好兼容性。
上述研究成果以“Wafer-scale uniform epitaxy of transferable 2D single crystals for gate-all-around nanosheet field effect transistors”为题，发表于《自然‧通讯》，并申请发明专利3项。
与此同时，北京大学彭海琳课题组联合南京大学聂越峰教授课题组，在单晶硅基底上也实现了二维铋基氧化物半导体的外延生长。针对硅基外延生长高质量、单晶二维半导体面临的重大挑战（硅表面易形成非晶二氧化硅层，破坏外延所需的晶格匹配关系，并引发不利的界面反应，导致薄膜多晶化、晶界增多，性能下降），研究团队开发了在硅衬底上SrTiO3缓冲层辅助外延生长单晶二维Bi2O2Se半导体薄膜的方法。该方法不仅克服了硅表面氧化层导致的外延障碍，还抑制了界面副反应，实现了从晶格匹配、取向控制到原子级陡峭界面的高质量二维单晶Bi2O2Se薄膜的共格外延生长。所获薄膜在厘米尺度具备优异的单晶性、均匀性和结构完整性，且其厚度可低至2 nm以下。
基于该薄膜制备的晶体管展现出高达约230 cm²/Vs的电子迁移率与高开关比，性能满足未来集成电路对沟道材料的要求。这项工作不仅为二维半导体与硅技术的融合提供了切实可行的外延集成方案，也为后续开发基于二维材料的新型电子器件、推动后摩尔时代集成电路的发展奠定了材料与工艺基础。该研究成果以“Epitaxial Integration of Single-Crystalline 2D Bi2O2Se Semiconductor Film on Silicon”为题，于2025年12月28日在线发表于《美国化学会会志》。
图2 二维铋基氧化物半导体的硅基外延集成。（a-b）直接在Si或SiO2/Si衬底表面生长二维Bi2O2Se的示意图，畴区成核位点、取向随机并伴随副产物生成；（c-d）在SrTiO3缓冲层覆盖的Si表面外延生长二维Bi2O2Se的示意图，畴区取向相同且可无缝拼接为单晶薄膜。
以上工作为二维半导体与硅工业技术的融合提供了新的策略，也为突破硅基器件尺度极限、延续摩尔定律提供了新的可能路径。该系列工作得到了来自科技部、国家自然科学基金委、新基石科学基金会等项目的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-65641-y
https://doi.org/10.1021/jacs.5c18957
（来源：MEMS）