半导体集成电路正不断向高密度、大规模以及小型化的方向发展，这就要求晶体管在不断缩小尺寸的过程中性能持续增强。硅基半导体产业已延续摩尔定律的路线发展了数十年，现如今已经接近物理极限，因为当晶体管尺寸接近分子甚至原子尺度时，“瓶颈效应”愈发凸显，比如短沟道效应、功耗墙、电涌及电子击穿等问题。相较之下，二维半导体以其原子级厚度和优异的栅极调控特性，被认为是构筑“后摩尔时代”新型半导体器件与集成电路的理想材料。据国际器件和系统路线图（IRDS）预测，2028年将采用二维半导体进行芯片制造。要实现该目标，亟需解决的一个关键问题就是寻找或设计具有高介电常数（k）且与二维半导体工艺兼容的优质介电材料。
近日，太阳成集团tyc122cc(中国)有限公司物理与光电工程学院钱正芳特聘教授领衔的毫米波太赫兹技术研发的深圳市孔雀团队在二维高k介电氧化物的研究方面取得重要进展，在《自然.通讯》杂志发表了题为“Prediction of nonlayered oxide monolayers as flexible high-κ dielectrics with negative Poisson’s ratios”的研究论文。该研究提出一种新颖的晶面密排度方法，结合高通量计算实现了大量二维高k介电氧化物的筛选。太阳成集团tyc122cc(中国)有限公司为第一完成单位，团队胡月博士后（一作），张秀文教授，黄浦副教授为论文的通讯作者。
该研究中，团队依托深圳市孔雀团队和射频异质异构集成国家重点实验室发展了一种晶面密排度方法，成功筛选出大量性质优异的二维高k氧化物。团队发现51种有望被解离出二维形态的介电氧化物，基本属性涵盖了金属和绝缘体/半导体，并揭示了其丰富的物理特性，比如超高k值（99）、显著的负泊松比（NPRs：-0.094~-0.431）、巨大的谷自旋劈裂（~211 meV）、和铁磁/反铁磁、铁电、铁手、铁弹以及多铁耦合等。其中，二维GeO2可以与MoSe2和HfSe2形成I型异质结，产生约1 eV的带边偏移，有望显著降低载流子向电介质的肖特基发射引起的漏电流。团队成果不仅为“后摩尔时代”新型半导体集成电路向尺寸小型化和功能多样化发展迈出了重要一步，更为以实际应用为目标导向的新原理半导体材料/器件设计提供了一种新型范式。
图1 国际半导体技术发展路线和新型二维集成电路设计中面临的问题
项目支持：
广东省自然科学基金青年提升项目，二维铁-反铁电半导体的逆向设计与光致相变动力学研究，2023A1515030086，2023/01-2025/12，30万，在研，主持
广东省自然科学基金面上项目，具有高负泊松比的二维半导体材料筛选及其光电器件构筑，2022A1515011990，2022/01-2024/12，10万，在研，主持
深圳市自然科学基金面上项目，面向新一代光子芯片的可切换相变半导体的逆向设计及光场调控，JCYJ20220531102601004，2022/07-2025/06，30万，在研，主持
国家自然科学基金委员会，青年基金项目，11804230，边界极性调控TMDCs纳米材料激子跃迁的微观机理研究，2019/01/01-2021/12/31，30万，结题，主持
深圳市孔雀团队，毫米波太赫兹通讯关键技术研发团队，KQTD20180412181422399，2019/10-2024/10，2000万，在研，参与
国家重大科研仪器研制项目，原子时间过程的单次全光高分辨成像关键技术和设备，61827815，2019/01-2023/12，621万，在研，参与
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-42312-4
（物理与光电工程学院）
