2024年8月12日，beat365官方网站彭海琳教授研究團隊與深圳理工大學丁峰教授團隊在《自然—材料》（Nature Materials）在線發表了題為“Ultraflat single-crystal hexagonal boron nitride for wafer-scale integration of a 2D-compatible high-κ metal gate”的研究論文，報道了超平整氮化硼單晶晶圓的可控制備，并實現了二維器件兼容的高介電金屬栅極（HKMG）的晶圓級集成。

　　二維材料具有豐富的物理特性，在電子、能源和催化等領域具有廣闊的應用前景。尤其是在高性能電子器件領域，原子級厚度的高遷移率二維半導體有望成為下一代溝道材料，延續摩爾定律。而在二維電子器件中，栅介質與二維溝道材料之間仍然存在缺陷、雜質以及懸挂鍵等問題，造成載流子的散射，嚴重制約了器件性能。因此，獲得高質量的溝道-栅介質界面是學術界與工業界關注的重點。六方氮化硼俗稱“白石墨烯”，與石墨烯的二維晶體結構類似，具有無懸挂鍵和原子級平整表面，又兼具高導熱率和良好電絕緣性，是理想的二維界面緩沖材料，能夠減少二維溝道材料與栅介質集成時的界面損傷和載流子散射，有助于獲得二維材料的本征優異性質。面向高介電金屬栅極（HKMG）的晶圓級集成與高性能二維電子器件應用，六方氮化硼界面材料的平整度、單晶性、大面積均一制備、與先進半導體工藝兼容性等問題均亟待解決。目前，通過化學氣相沉積法（CVD）在富含台階的Cu(110)、Ni(111)箔材與Cu(111)薄膜等金屬襯底表面已經能夠實現單晶氮化硼的制備，但是超平整氮化硼晶圓的可控制備尚未實現。

　　氮化硼的CVD制備方法通常在高溫（約1000°C）下進行，因此在後續降溫過程中，由于氮化硼與金屬襯底的熱膨脹系數不匹配，造成熱應力的不斷積聚，最終氮化硼和金屬襯底分别通過形成褶皺和台階的方式釋放應力。而這些褶皺和金屬台階極大地降低了氮化硼的平整度與均勻性，嚴重降低了其優異的性質。類似的現象在石墨烯制備過程中也普遍存在，并且研究表明金屬表面大量台階的急劇形成會觸發石墨烯褶皺的産生。此前，彭海琳課題組和合作者已實現4英寸超平整石墨烯單晶晶圓的規模制備、無損潔淨轉移和器件應用（ACS Nano 2017, 11,12337; Nature Commun. 2022, 13, 5410; Nature Methods 2023, 20, 123）。

　　針對超平整氮化硼單晶晶圓的可控制備難題，彭海琳課題組與深圳理工大學丁峰教授團隊合作，提出了在Cu_0.8Ni_0.2(111)/藍寶石表面通過界面相互作用力調控，增強氮化硼薄膜與金屬襯底的耦合作用（結合能與摩擦力），從而确保氮化硼疇區單一取向并同時抑制褶皺形成，實現了4英寸超平整單層氮化硼單晶晶圓的可控制備（圖1）。基于高質量的氮化硼晶圓，設計并制備了4英寸超平整氮化硼/高介電氧化铪/金屬複合型栅電極，并實現了其與石墨烯等二維材料的無損範德華轉移集成。

　　圖1. CuNi(111)/藍寶石襯底表面超平整單晶氮化硼的制備示意圖。

　　研究表明，通過調控銅鎳合金中金屬Ni的含量可以調控氮化硼與生長襯底之間的結合能與摩擦力，當Ni含量<15%時，氮化硼的疇區有兩種取向，當Ni含量≥15%時，氮化硼的疇區取向一緻（圖2）。這主要是因為随着Ni含量的增大，氮化硼與金屬襯底之間的距離降低（Ni含量為20%時，間距僅為2.7Å）氮化硼與襯底之間的耦合變強，單一取向的疇區能量更低。

　　圖2. 超平整氮化硼單晶晶圓的制備。不同Ni含量的襯底上生長氮化硼的（a）SEM圖像；（b）AFM圖像；（c）Ni含量為20%和0時，氮化硼與金屬襯底的截面透射圖像；（d）在4英寸Cu0.8Ni0.2/藍寶石襯底表面制備的超平整氮化硼單晶晶圓。

　　更重要的是，由于氮化硼與生長襯底之間的強耦合，二者間的摩擦力與結合能随之增大。在生長襯底上氮化硼的褶皺形成過程包含兩步，一是氮化硼與襯底間局域的脫附，從而形成小的褶皺；二是脫附氮化硼在襯底上的滑動，使得褶皺形成。因此，氮化硼與生長襯底之間更強的摩擦力和更大的結合能能夠抑制氮化硼中褶皺的産生，最終實現超平整氮化硼單晶晶圓的制備。

　　圖3. 在Cu_0.8Ni_0.2(111)襯底上氮化硼的褶皺抑制機制。（a）單層氮化硼分别在Cu_0.8Ni_0.2(111)襯底（左）和Cu(111)襯底（右）上的原子模型；（b）氮化硼分别與Cu_0.8Ni_0.2(111)和Cu(111)的結合能（紅色）和摩擦力（藍色）；（c-d）在Cu_0.8Ni_0.2(111)襯底（c）和Cu(111)襯底（d）上的計算得到的褶皺形成的臨界應力随冷卻速率的變化；（e）降溫過程中在Cu_0.8Ni_0.2(111)襯底上氮化硼褶皺被抑制（左）和在Cu(111)襯底上氮化硼褶皺産生（右）的示意圖。

　　除此之外，基于超平整氮化硼單晶晶圓，研究團隊設計并制備了可轉移的超平整氮化硼/氧化铪/金屬複合栅電極，實現了複合栅電極與石墨烯等二維材料的高質量範德華集成，并表現出優異的栅控性能。具體而言，研究團隊利用半導體工藝兼容的原子層沉積技術（ALD），在超平整單晶氮化硼/Cu_0.8Ni_0.2/藍寶石晶圓上制備了超薄、緻密且均勻的高介電氧化铪薄膜，并沉積了頂電極，得到了可轉移的、高質量超平整氮化硼/氧化铪/金屬複合栅電極（圖4），制備的複合栅介質的等效氧化層厚度可達0.52 nm，達到國際器件與系統路線圖2025年的要求，漏電流（2.36×10⁻⁶ A cm⁻²）滿足晶體管低功耗要求。研究團隊還通過轉移的方式實現了複合型高κ金屬栅電極與石墨烯的範德華集成。與直接在石墨烯表面原子層沉積的氧化铪相比，利用氮化硼範德華集成的複合栅介質避免了石墨烯界面缺陷與摻雜的産生，展示出石墨烯優異的本征性質，并表現出優異的封裝與栅控性能。

　　圖4. （a）4英寸超平整氮化硼/氧化铪/金屬複合栅電極的制備與轉移流程；（b）不同厚度複合栅介質的C-V測試及其對應的EOT；（c）hBN/HfO₂複合栅介質的EOT-漏電流密度對比圖；（d）範德華集成5 nm hBN/HfO₂與直接生長5 nm HfO₂後石墨烯晶體管的轉移曲線；（e）不同栅介質集成後石墨烯的遷移率與載流子濃度統計柱狀圖；（f）範德華集成~5 nm hBN/HfO₂複合栅介質後，石墨烯頂栅晶體管的轉移曲線。

　　綜上所述，該項研究工作首次在Cu_0.8Ni_0.2/藍寶石襯底表面實現了超平整氮化硼單晶晶圓的可控制備，揭示了氮化硼與生長襯底之間的強相互作用是實現超平整單晶氮化硼薄膜制備的關鍵，并實現了超平整氮化硼/氧化铪/金屬複合栅電極的可控制備及其與石墨烯等二維材料的範德華集成。該研究成果以“Ultraflat single-crystal hexagonal boron nitride for wafer-scale integration of a 2D-compatible high-κ metal gate”為題，近日發表于Nature Materials。beat365彭海琳教授、深圳理工大學丁峰教授是該論文工作的共同通訊作者，并列第一作者包括beat365官方网站博士生王雅妮、深圳理工大學博士後趙超、beat365前沿交叉研究院博士生高欣、beat365博雅博士後鄭黎明。

　　該研究得到國家自然科學基金委、科技部、北京分子科學國家研究中心、騰訊基金會、beat365博雅博士後等機構和項目的資助，并得到了beat365官方网站分子材料與納米加工實驗室（MMNL）儀器平台的大力支持。

　　原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41563-024-01968-z

排版：高楊

審核：李玲，高珍