半导体微电子设备的快速更新换代有赖于经典的摩尔定律，但在经过一个世纪的发展之后，传统硅半导体工艺技术已经几乎达到了摩尔极限。新世纪伊始，二维（2D）半导体材料的发现使得突破摩尔极限成为了可能。二维层状材料拥有原子级的厚度，受量子约束在2D平面上的高效载流子输运能力，以及多种优异而独特的物理性能，并能与经典的互补金属氧化物半导体(CMOS)技术兼容。大规模二维半导体集成电路的工业产业化将高度依赖于可靠的高质量大面积均匀超薄薄膜制备流程。黑磷（BP）以其高迁移率、禁带宽度覆盖目前主要半导体范围的可调性、奇异的光学和量子性质等，成为了最受关注的二维半导体材料之一，但大面积超薄黑磷薄膜的制备一直是多年困扰本研究领域的瓶颈，极大地限制了二维黑磷在半导体集成工艺中的可能应用。 香港理工大学郝建华教授课题组联合中国科学技术大学陈仙辉教授 ， 利用脉冲激光沉积法 （PLD） ，可控地制备了厘米级别的高质量超薄少层黑磷薄膜，成功地打破了二维黑磷 潜在 应用于大规模半导体集成电路的材料制备工艺壁垒。 脉冲激光沉积法提供 了 有利于高活性的黑磷等离子基团/团簇形成的高温高压条件。 通过该方法生长的超薄少层黑磷薄膜具有厘米尺寸级别的高均匀性和高结晶质量 ，同时在高分辨透射电子显微镜下可以观察到长程有序的原子晶格以及清晰的截面层状结构（图 1) 。 进一步，研究人员利用大尺寸黑磷薄膜， 制备 了 场效应晶体管（FET）阵列 ， 亦展现出高 场效应空穴迁移率和 开关比（图 2 ），这 为进一步开发基于半导体BP的晶片级微电子和光电子集成设备阵列和信息系统开辟了新方向，也 为二维黑磷 乃至整体二维材料 在 下一代 大规模半导体集成工艺中的应用 提供了可能性。
图1. 少层超薄黑磷薄膜的微观结构表征。(a-c) 高分辨率TEM图像，及对应的选区电子衍射（SAED）图像。(d) 样品上不同位置的薄层云母/黑磷切片的SAED图像。(e) 单独的云母晶格和黑磷晶格的SAED图像。(f) 衍射图样过滤微分后的暗场TEM扫面图像。图d-f中，黑磷晶格的衍射及显微结果以红色标记，云母晶格的衍射及显微结果以橙色标记。(g-h) 不同厚度黑磷超薄薄膜的截面TEM图像。
图 2. 大面积超薄黑磷薄膜的电学性能及其晶体管阵列。(a-b) 利用离子液体作为介电质的顶栅场效应晶体管的立体和截面示意图。(c) 不同栅电压下器件源漏电极之间的I-V曲线。（d) 基于2，5和10 nm黑磷超薄薄膜制备的顶栅FET的转移特性曲线。(e) 不同厚度的黑磷超薄薄膜的场效应空穴迁移率和晶体管电流开关比。(f) 基于超薄黑磷薄膜制备的大面积FET阵列，表现出了大尺寸上均匀的电学性能。
相关研究成果 以 《少层二维黑磷的大面积生长》 （ Large-scale growth of few-layer two-dimensional black phosphorus ）为题发表在 《自然·材料》 （ Nat ure M aterials 20 , 1203 (2021) ）上。 该工作一经发表即引起密切的关注，ACS Chemical & Engineering News （ May 15, 2021, Volume 99, Issue 18) 和 Nature Materials News & Views (Nat. Mater., 20, 1174 （ 2021 ） ) 也发表了新闻专题报告，称其为奠基性工作。 表明该工作在二维材料研究领域中具有很高的关注度和重要的价值。 此研究工作中，香港理工大学博士生吴泽涵为第一作者，郝建华教授以及中国科学技术大学陈仙辉教授为共同通讯作者，国家自然科学基金委、香港研究资助局和香港理工大学基金提供了支持。
郝建华， 香港理工大学应用物理学系材料物理与器件讲座教授 (Chair Professor)。
教育部“长江学者”讲座教授，香港研资局高级研究学者，美国光学学会会士，英国物理学会会士，英国皇家化学会会士。 主要从事功能薄膜和二维材料及器件，应用于光电子、生物医学的掺杂发光材料和纳米能源的研究。 发表了国际杂志学术论文330余篇。 获得教育部自然科学奖、TechConnect全球创新奖、日内瓦国际发明特别优异奖和金奖、校长特设个人卓越成就奖等奖项。 目前担任InfoMat（影响因子： 25.405)杂志的副主编、Adv. Opt. Mater. 等国际杂志的编委。
通讯作者
陈仙辉， 中国科学院院士，中国科学技术大学物理系教授。
中科院强耦合量子材料物理重点实验室主任。获国家自然科学一等奖、教育部“长江学者成就奖”、国际超导材料最高奖Bernd T. Matthias奖、何梁何利基金科学与技术进步奖、TWAS第三世界科学院物质科学奖等。主要从事新型非常规超导体的探索及超导和强关联物理的研究。成就包括：在铁基超导体研究中常压下突破麦克米兰极限；发展了固体离子场效应技术，开辟了利用固态离子导体门电压技术探索超导电性的研究方向；与合作者成功实现黑磷晶体场效应管，开辟了继石墨烯之后又一个量子功能材料领域。
第一作者
2017年于中国电子科技大学获得理学硕士学位，同年在香港理工大学开始攻读博士学位，导师郝建华教授。研究方向为大面积单质二维材料及其异质结的物理气相沉积和集成器件阵列制备。目前在Nature Materials、InfoMat、Advanced Materials、Advanced Optical Materials、NPJ 2D Materials and Applications、ACS Nano等学术期刊发表论文16篇，其中第一/共同第一作者3篇。
详情请点击论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41563-021-01001-7
《半导体学报》简介：
《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors （简称JOS） ，同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。
“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：
《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：jos@semi.ac.cn，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。 年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。
JOSarXiv预发布平台简介：
半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv 致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务 。
JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！
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