Adv. Mater. | 彭海琳课题组报道二维Bi2O2Se单晶晶圆的无损转移与异质集成方法

近日，北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授、谭聪伟副研究员课题组在二维半导体材料与硅基芯片集成领域取得重要进展，研究团队发展出一种应力调控的新型干法转移技术，首次实现4英寸无裂纹、高完整性、高洁净度的单晶二维Bi₂O₂Se薄膜向硅基晶圆的单片集成，为后摩尔时代高性能二维半导体器件的规模化应用奠定了关键技术基础。相关成果以“Monolithic Integration of Crack‐Free 2D Bi₂O₂Se via Stress Modulation”为题，于2026年4月2日，在线发表于国际材料科学领域顶级期刊《Advanced Materials》。

以二维硒氧化铋（Bi₂O₂Se）为代表的新型二维半导体，具有高载流子迁移率、原子级薄膜厚度、无悬挂键清洁界面等独特优势，还可通过可控氧化原位形成高κ栅介质 Bi₂SeO₅，在先进架构场效应晶体管、光电探测、三维集成芯片等领域展现出不可替代的应用潜力，被视为延续摩尔定律、突破硅基器件性能极限的核心候选材料之一。目前，高质量单晶Bi₂O₂Se薄膜已可在蓝宝石、锶钛氧化物等异质衬底上实现晶圆级外延生长，但如何将其无损、无裂纹、无污染、大面积地转移到硅基晶圆上，一直是制约二维材料从实验室研究走向工业化芯片制造的核心技术瓶颈之一。传统转移方法普遍存在薄膜尺寸受限、转移过程易开裂、界面缺陷多、表面污染严重等问题，导致材料电学性能大幅衰减，难以满足电子器件的集成要求。

图1. 晶圆级二维材料的应力调控转移方法

针对这一重大挑战，北京大学彭海琳团队另辟蹊径，提出金属薄膜应力精准调控的全新策略，精心设计并构筑了HfO₂/Ni/Cu/ 热释胶带（TRT）复合型转移介质，从应变能调控的角度实现了晶圆级二维Bi₂O₂Se的完整、无裂纹干法剥离与转移。在该复合转移介质中，拉伸应力镍（Ni）薄膜提供足够的应变能，有效克服Bi₂O₂Se与蓝宝石衬底之间的强界面结合力，保证薄膜完整剥离；无应力铜（Cu）保护层显著提升复合金属膜的断裂能与韧性，从根本上抑制剥离过程中产生裂纹；约5 nm厚的HfO₂保护层既可以隔绝金属刻蚀液对二维材料的侵蚀，又能保持适度柔性，实现与目标衬底的共形紧密接触；配合热释胶带，实现全程干法操作，最大限度减少界面污染与材料损伤（图1）。

图2. 转移后4英寸二维Bi₂O₂Se薄膜的结构表征

通过精确调控应变能与界面能、断裂能之间的匹配关系，团队首次实现了4英寸二维Bi₂O₂Se单晶薄膜的无裂纹与完整转移。实验表征结果表明，经该应力调控方法转移至SiO₂/Si衬底上的4 英寸二维Bi₂O₂Se薄膜，表面完整均匀、无肉眼可见裂纹与针孔，表面粗糙度低至0.63 nm，完美保留了原生长薄膜的单晶四方结构与高结晶质量。X射线衍射、透射电子显微镜、拉曼光谱等多种表征手段证实，转移后的薄膜沿c轴高度取向，面内原子排列规整，界面洁净平整（图2）。值得注意的是，该技术可实现二维Bi₂O₂Se薄膜的逐层精准堆叠，成功制备出界面洁净、无明显缺陷的双层、三层垂直结构薄膜，为单片三维集成电路提供了可靠的材料集成方案（图3）。

图3. 晶圆二维Bi₂O₂Se薄膜的三维异质集成

基于该无裂纹晶圆级Bi₂O₂Se薄膜，研究团队制备了顶栅结构场效应晶体管阵列，器件展现出优异的电学性能。测试结果显示，器件室温载流子迁移率最高可达150 cm² V⁻¹ s⁻¹，开关比高达10⁶，器件迟滞仅约0.2 V，性能均匀性优异，远优于纯镍膜转移的器件。与目前已报道的各类转移的晶圆级二维半导体相比，该工作同时实现了最大的转移尺寸与最优的电学性能，关键指标全面满足国际器件与系统路线图（IRDS）2031 年对先进半导体材料的要求，为二维材料基高端逻辑器件提供了重要支撑（图4）。

图4. 转移后二维Bi₂O₂Se薄膜的电学性质

该研究不仅攻克了二维Bi₂O₂Se材料晶圆级无裂纹转移的难题，建立了一套可靠的二维材料异质集成新方法，还可拓展应用于二硫化钼等多种重要二维材料体系，对推动后摩尔时代新型晶体管、三维单片集成、高性能光电子器件的发展具有重要科学意义与实用潜力。

该论文的共同通讯作者为北京大学彭海琳教授和谭聪伟副研究员。共同第一作者是北京大学化学院博雅博士后高欣、北京大学化学院博士研究生王语腾、北京大学化学院博士研究生浮博洋与北京大学化学院博士研究生李也。

该研究工作主要由北京大学化学与分子工程学院、北京分子科学国家研究中心等单位完成，得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京分子科学国家研究中心、腾讯基金会等项目的大力支持。相关转移技术已申请国家发明专利，为后续规模化应用探索提供了坚实的知识产权保障。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.72808