半導體集成電路正不斷向高密度、大規模以及小型化的方向發展，這就要求晶體管在不斷縮小尺寸的過程中性能持續增強。硅基半導體產業已延續摩爾定律的路線發展了數十年，現如今已經接近物理極限，因為當晶體管尺寸接近分子甚至原子尺度時，“瓶頸效應”愈發凸顯，比如短溝道效應、功耗墻、電涌及電子擊穿等問題。相較之下，二維半導體以其原子級厚度和優異的柵極調控特性，被認為是構筑“后摩爾時代”新型半導體器件與集成電路的理想材料。據國際器件和系統路線圖（IRDS）預測，2028年將采用二維半導體進行芯片制造。要實現該目標，亟需解決的一個關鍵問題就是尋找或設計具有高介電常數（k）且與二維半導體工藝兼容的優質介電材料。
近日，深圳大學物理與光電工程學院錢正芳特聘教授領銜的毫米波太赫茲技術研發的深圳市孔雀團隊在二維高k介電氧化物的研究方面取得重要進展，在《自然.通訊》雜志發表了題為“Prediction of nonlayered oxide monolayers as flexible high-κ dielectrics with negative Poisson’s ratios”的研究論文。該研究提出一種新穎的晶面密排度方法，結合高通量計算實現了大量二維高k介電氧化物的篩選。深圳大學為第一完成單位，團隊胡月博士后（一作），張秀文教授，黃浦副教授為論文的通訊作者。
該研究中，團隊依托深圳市孔雀團隊和射頻異質異構集成國家重點實驗室發展了一種晶面密排度方法，成功篩選出大量性質優異的二維高k氧化物。團隊發現51種有望被解離出二維形態的介電氧化物，基本屬性涵蓋了金屬和絕緣體/半導體，并揭示了其豐富的物理特性，比如超高k值（99）、顯著的負泊松比（NPRs：-0.094~-0.431）、巨大的谷自旋劈裂（~211?meV）、和鐵磁/反鐵磁、鐵電、鐵手、鐵彈以及多鐵耦合等。其中，二維GeO2可以與MoSe2和HfSe2形成I型異質結，產生約1 eV的帶邊偏移，有望顯著降低載流子向電介質的肖特基發射引起的漏電流。團隊成果不僅為“后摩爾時代”新型半導體集成電路向尺寸小型化和功能多樣化發展邁出了重要一步，更為以實際應用為目標導向的新原理半導體材料/器件設計提供了一種新型范式。
圖1 國際半導體技術發展路線和新型二維集成電路設計中面臨的問題
項目支持：
廣東省自然科學基金青年提升項目，二維鐵-反鐵電半導體的逆向設計與光致相變動力學研究，2023A1515030086，2023/01-2025/12，30萬，在研，主持
廣東省自然科學基金面上項目，具有高負泊松比的二維半導體材料篩選及其光電器件構筑，2022A1515011990，2022/01-2024/12，10萬，在研，主持
深圳市自然科學基金面上項目，面向新一代光子芯片的可切換相變半導體的逆向設計及光場調控，JCYJ20220531102601004，2022/07-2025/06，30萬，在研，主持
國家自然科學基金委員會，青年基金項目，11804230，邊界極性調控TMDCs納米材料激子躍遷的微觀機理研究，2019/01/01-2021/12/31，30萬，結題，主持
深圳市孔雀團隊，毫米波太赫茲通訊關鍵技術研發團隊，KQTD20180412181422399，2019/10-2024/10，2000萬，在研，參與
國家重大科研儀器研制項目，原子時間過程的單次全光高分辨成像關鍵技術和設備，61827815，2019/01-2023/12，621萬，在研，參與
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-42312-4
（物理與光電工程學院）
