界面再建によって駆動される単結晶2D Bi2O2SEフィルムの層制御成長

半導体スケーリングがサブナノメートルレベルに達し続けると、2次元（2D）半導体がシリコン後の材料の有望な候補として浮上しています。これらの選択肢の中で、Bi2O2SEは、適切なバンドギャップと小さな有効質量に起因する、その優れた電気特性のおかげで、非常に有望な2D半導体として上昇しています。ただし、他の2D材料とは異なり、正確な層制御を備えた大規模なBi2O2SEフィルムの成長は、比較的強い層間の静電相互作用によって引き起こされる大きな表面エネルギーのために依然として困難です。ここでは、金属有機化学蒸気（MOCVD）を使用してTiO2末端のSRTIO3で単層レベルまでの正確な厚さコントロールを備えたウェーハスケール（〜3 cm）Bi2O2SEフィルムの成長の成長を提示します。スキャン透過型電子顕微鏡（STEM）分析により、[BITIO4] 1-界面構造の形成と密度官能理論（DFT）計算により、[BITIO4] 1-の形成がBi2O2SEとSRTIO3の間の界面エネルギーが大幅に減少したことが明らかになりました。2D成長を促進します。さらに、2末端のデバイスのスペクトル応答性測定により、DFT計算と一致する単層Bi2O2SEで最大1.9 eVのバンドギャップの増加が確認されました。最後に、56.29 cm2/（V・s）の優れた平均電子移動度を示す高性能Bi2O2SEフィールド効果トランジスタ（FET）アレイを実証しました。このプロセスは、2D BI2O2SEのウェーハスケールアプリケーションを有効にし、限定された2Dシステムで興味深い物理現象の調査を促進することが予想されます。

As semiconductor scaling continues to reach sub-nanometer levels, two-dimensional (2D) semiconductors are emerging as a promising candidate for the post-silicon material. Among these alternatives, Bi2O2Se has risen as an exceptionally promising 2D semiconductor thanks to its excellent electrical properties, attributed to its appropriate bandgap and small effective mass. However, unlike other 2D materials, growth of large-scale Bi2O2Se films with precise layer control is still challenging due to its large surface energy caused by relatively strong interlayer electrostatic interactions. Here, we present the successful growth of a wafer-scale (∼3 cm) Bi2O2Se film with precise thickness control down to the monolayer level on TiO2-terminated SrTiO3 using metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD). Scanning transmission electron microscopy (STEM) analysis confirmed the formation of a [BiTiO4]1- interfacial structure, and density functional theory (DFT) calculations revealed that the formation of [BiTiO4]1- significantly reduced the interfacial energy between Bi2O2Se and SrTiO3, thereby promoting 2D growth. Additionally, spectral responsivity measurements of two-terminal devices confirmed a bandgap increase of up to 1.9 eV in monolayer Bi2O2Se, which is consistent with our DFT calculations. Finally, we demonstrated high-performance Bi2O2Se field-effect transistor (FET) arrays, exhibiting an excellent average electron mobility of 56.29 cm2/(V·s). This process is anticipated to enable wafer-scale applications of 2D Bi2O2Se and facilitate exploration of intriguing physical phenomena in confined 2D systems.