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来源：计算材料学收集编辑：低维 昂维
二维超宽禁带（UWBG）半导体由于其诱人的物理特性，在高功率透明电子器件、深紫外光电探测器、柔性电子皮肤和节能显示器领域引起了越来越多的兴趣。与占主导地位的窄带隙半导体材料家族相比，二维超宽禁带半导体的研究较少，但由于其具有高光学透明度、可调谐电导率、高迁移率和超高栅极电介质的倾向而脱颖而出。在目前的研究阶段，最深入研究的二维超宽禁带半导体是金属氧化物、金属硫族化物、金属卤化物和金属氮化物。近日，来自中科院半导体研究所的魏钟鸣教授联合郑州大学的研究人员共同在Small Methods上以2D
Ultrawide Bandgap Semiconductors: Odyssey and Challenges为题发表综述文章，对新型二维超宽禁带半导体材料和新型物理性能的最新研究进展进行了综述。文章概述了采用二维超宽禁带半导体作为无源或有源层的众多应用器件，包括晶体管、光电探测器、触摸屏和逆变器等等。最后，文章重点介绍了二维超宽禁带半导体的现有挑战和机遇。近年来，二维超宽禁带半导体正成为半导体物理、材料、器件和应用领域极具挑战性和吸引力的研究热点。通常，带隙大于3eV且小于7eV的材料被定义为“超宽带半导体”半导体材料。在过去的几十年中，用于（光电）电子的超宽带半导体主要由传统的块状材料构成，这些材料已被广泛研究并广泛商业化，例如Ga2O3、金刚石、MgxZn1-xO、氧化铟锡（ITO）、氧化铟镓锌（IGZO）、III氮化物（GaN、AlN、AlxGa1-xN）。此外，通过广泛的研究工作，人们已经使用了各种方法来提高器件性能，例如局部表面等离子体、带隙工程、阵列、异质结。然而，在后摩尔时代，具有大尺寸、高功率和高成本的传统超宽带半导体器件无法满足未来对高性能（光电）电子器件的要求。在这方面，设计具有新颖结构和良好适应性的低维半导体材料系统已成为研究热点。2004年石墨烯的成功剥离极大地促进了对各种二维材料的研究，包括过渡金属二硫化物（TMDs）、黑磷（b-P）、黑砷（b-As）、磷化合物、六方氮化硼（h-BN）和Mxene。与基于窄带隙半导体的器件相比，基于二维超宽禁带半导体的紫外光电探测器不需要昂贵的高通滤光器来阻挡可见光和红外光子，也不需要冷却以减少暗电流，从而导致系统有效面积的显着损失。因此，基于二维超宽禁带半导体的器件的出现为规避上述困境开辟了一条途径。金属硫族化物（GaS，GaSe）以宽范围带隙而闻名，并且是最早被研究的。然后，该研究迅速扩展到其他硫族化物，并进一步激发了对其他化合物的关注，如金属氧卤化物、金属氮化物、金属氧化物和Dion–Jacobson钙钛矿氧化物。文章指出，二维超宽禁带半导体材料在过去十年中飞速发展成为一个独特的分支学科，为设计和制造具有纳米级新功能的（光）电子器件提供了新的可能性。迄今为止，二维超宽禁带半导体的研究已经涵盖了晶体结构、合成方法、性能和器件应用。过去这方面的综述简要提到了二维超宽禁带半导体，但将其重点局限于氧化物或紫外光探测。因此，从科学和工业角度出发，对二维超宽禁带半导体的晶体结构、物理性质、合成方法和器件应用进行系统综述，对进一步发展具有重要意义。这篇综述重点介绍了二维超宽禁带半导体材料的最新研究进展。首先，文章详细介绍了二维超宽禁带半导体的典型晶体结构和物理性质，包括原子结构、光学性质、电子性质、光电子性质和热性质。然后，文章总结了二维超宽禁带半导体材料的合成技术。之后，文章介绍了应用于电子、光电子和柔性电子皮肤的二维超宽禁带半导体器件的新进展。最后，文章提出了二维超宽禁带半导体基器件制造的现有挑战和潜在机遇。例如，六方氮化硼（h-BN）因其超宽禁带（6
eV）和大介电强度而被认为是介电材料，显示出深紫外光电探测器的巨大潜力。由厚度约为0.3nm的B和N原子组成的单层h-BN通过强面内键结合并排列成蜂窝结构。这些层被微弱的范德华力保持在一起。最近新发现的2D材料的发现仅限于本质层状材料，这大大限制了材料的选择。2018年，Lei Fu领导的团队首次通过化学气相沉积通过表面受限氮化反应成功合成了2D非层状GaN单晶。GaN晶体结构具有典型的纤锌矿结构，具有c形细长六边形（0001）平面和C6v对称平面。随着各种制备技术的不断发展，二维超宽禁带半导体材料库得到了丰富。在本文中，新兴二维超宽禁带半导体的研究进展涵盖了氧化物、卤化物、硫族化物和氮化物，从晶体结构、合成方法和有趣的物理性质到各种潜在应用。到目前为止，人们已经成功开发了超过20种具有层状或非层状结构的半导体材料，其带隙范围为3–6 eV。这些材料由于其独特的电子带结构和强烈的光-物质相互作用，是高功率柔性电子器件、深紫外光电探测和透明电极的潜在候选材料。此外，它们已被证明可以作为介电层和钝化层，以优化整个性能。不过，文章同时指出，尽管在过去几年中取得了巨大的努力和进展，但二维超宽禁带半导体的研究仍处于起步阶段，未来需要应对许多挑战。为了充分实现其大规模的实际应用（特别是对于微纳器件），晶圆级单晶二维超宽禁带半导体材料是不可或缺的。迄今为止，在所有合成方法中，气相沉积已显示出多功能性、可控性、可扩展性、高质量以及与现有工业技术的兼容性。然而，只有晶片规模的单晶h-BN单层在Cu（111）上成功外延生长。因此，除了h-BN之外，晶圆级单晶二维超宽禁带半导体的制造方法仍然未知。基于二维超宽禁带半导体的电子和光电子器件的目前性能不符合实际应用的要求。因此，在未来的研究中，提高器件性能至关重要。作为一种可选的无键集成策略，范德华异质结可以通过多种半导体组合实现优异的性能，而不考虑晶格失配和加工不相容性。此外，制备合适的p-n异质结可以抑制光生载流子的复合，提高分离效率，这是一种很有前途的集成策略。有趣的是，绝大多数制备的二维超宽禁带半导体是n型。此外，p型半导体对于设计双极晶体管、逆变器电路、透明薄膜晶体管是不可或缺的。然而，在过去十年中，对p型二维超宽禁带半导体的研究仅成功地识别了少数有前途的候选材料。因此，探索高迁移率p型二维超宽禁带半导体仍然是一个亟待解决的问题。在由层间极化引起的二维超宽禁带半导体金属氧化物半导体的制造中存在一些困难，特别是由具有本质上非分层结构的金属氧化物制造。最近有报道指出可以通过低熔点液态金属印刷技术成功地获得了一系列二维超宽禁带半导体金属氧化物。然而，通过单元素液态金属表层获得的二维超宽禁带半导体金属氧化物的种类仍然有限。由于当形成氧化物所需的吉布斯自由能高于镓时，金属氧化物不能通过与镓基液态金属共合金化来制造，因此应扩大用于制造二维超宽禁带半导体金属氧化物的液态金属的范围。文章指出，尽管目前学术界对二维超宽禁带半导体的研究涵盖了许多应用，但对其物理性质和晶体结构之间的机制仍不清楚。因此，未来学术界仍然需要探索二维超宽禁带半导体材料在电子、光电子和钝化层中的更广泛应用。Wen
Yang, Kaiyao Xin, Juehan Yang, Qun Xu, Chongxin Shan, Zhongming Wei, 2D
Ultrawide Bandgap Semiconductors: Odyssey and Challenges. Small Methods (2022).https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202101348