$高能环境(SH603588)$  铋，到底有多神秘！

铋和铋氧化物将是下一代半导体及量子方面的核心材料。随着半导体器件尺寸缩小至纳米级别，传统的二氧化硅（SiO₂）栅极介电层因为量子隧穿效应导致漏电流急剧增大，无法使用。需要寻找物理厚度更厚但电容等效厚度（CET）更薄的高k材料来替代。

· 氧化铋的优势：

· 高介电常数 (k值)：氧化铋的k值在18~50之间（不同晶相不同），远高于SiO₂ (k=3.9)，可以在保持高电容的同时使用更厚的物理层，有效抑制漏电流。是下一代非易失性存储器——阻变随机存取存储器（RRAM或忆阻器） 的核心材料。

· 优势：操作电压低、开关速度快、结构简单，非常适合高密度存储。

2. 铋元素本身在半导体中的用途

金属铋在半导体中主要用于接触和互联技术。

a. 超薄金属层作为接触材料

· 用途：在二维（2D）半导体（如二硫化钼 MoS₂）制成的晶体管中，作为源极和漏极的接触金属。

· 背景与原理：2D半导体材料极薄，传统的金属（如Ti, Au）与之接触时存在严重的费米钉扎效应，导致很高的肖特基势垒和接触电阻，成为性能瓶颈。

· 铋的优势：

· 弱费米钉扎：铋是一种半金属，其表面独特的电子特性能够与2D半导体形成准范德瓦尔斯接触，显著减弱费米钉扎效应，获得极低的肖特基势垒。

· 空气稳定性：相较于其他低功函数金属（如钙、镁），铋在空气中更稳定，易于加工。

· 平滑界面：沉积的铋薄膜能形成平滑的界面，减少界面缺陷散射，利于载流子传输。

b. 硅锗锡合金中的p型掺杂剂

· 用途：在GeSn或SiGeSn合金中，铋被用作p型掺杂剂。

· 原理：铋原子可以替代锗或锡原子进入晶格，由于其价电子比Ge/Sn少一个，会产生空穴，从而形成p型半导体。这种材料体系可用于制造硅基光电子器件（如激光器、探测器）。

3. 其他铋化合物在半导体中的用途

a. 铋基钙钛矿 (如 Cs₃Bi₂I₉, CH₃NH₃₃Bi₂I₉)

b. 铋基拓扑绝缘体 (如 Bi₂Se₃, Bi₂Te₃)

· 用途：用于未来自旋电子学和量子计算器件。

· 原理：这类材料的体相是绝缘体，但表面是受拓扑保护的金属态，电子输运几乎无耗散。利用其独特的自旋-动量锁定特性，可以制造低功耗、高性能的新型电子器件。

c. 铋基热电材料 (如 Bi₂Te₃)

· 用途：用于半导体器件的局部热电冷却和废热回收发电。

· 原理：直接将热能和电能相互转换。可用于为芯片上的热点区域进行精准降温，或利用处理器产生的废热为低功耗电路发电。

总结

材料 主要应用领域 核心作用与优势

氧化铋 (Bi₂O₃) 栅极介电层、RRAM存储器 高k介质，替代SiO₂；阻变效应，用于存储，金属铋 (Bi) 2D晶体管接触、硅基光电子 弱费米钉扎，降低接触电阻；p型掺杂剂

铋基钙钛矿 太阳能电池、光电探测器 无毒、稳定的铅基替代品

铋基拓扑绝缘体 自旋电子学、量子计算 拓扑表面态，实现无耗散电子输运

铋基热电材料 芯片冷却、废热回收 热电效应，实现热-电直接转换

总而言之，铋及其化合物凭借其低毒性、独特能带结构、高介电常数和离子迁移特性，正在从传统的冶金、医药领域，大步迈进先进的半导体科技领域，为解决器件微缩化、功耗和新型计算范式等关键问题提供了丰富的材料解决