最近莱斯大学的研究人员在《自然》杂志上发表了一项研究成果，他们成功使晶圆上生长出原子厚度、直径达两英寸的六方氮化硼(hBN)薄片。报告中指出，hBN是一种宽带隙半导体，研究人员利用铜基板上随机台阶（random steps）之间的无序现象，令人惊讶地实现了长期追求的目标：生产出完全有序的hBN晶体。

氮化硼和硼原子排列在铜基板上，形成一个大规模有序的六方氮化硼晶体

这种晶片大小的材料可能成为未来二维电子学的关键绝缘体

（图片来源: 台积电）

当晶圆级别的hBN集成到芯片中作为纳米级晶体管层之间的介电体时，它在抑制电子散射和限制内置电路效率方面表现十分突出。然而，到目前为止，还没有人成功制造出大到足以使用的、完美有序的hBN晶体。

鲍里斯·雅各布森（Boris Yakobson）是布朗工程学院的材料理论家，同时也是与台湾半导体制造股份有限公司的Lain-Jong Li和他的团队共同进行这项研究的首席研究员。理论分析和第一性原理计算由台积电的Yakobson和Chih-Piao Chuu完成，以阐明他们的合著者在实验中看到的机制。

台湾国立交通大学和台积电的实验人员开发了一种两英寸的2D hBN薄膜，作为制造概念的证明。然后，他们将hBN薄膜转移到硅上，并在hBN薄膜上添加一层被印在2D二硫化钼上的场效应晶体管。这项工作的主要意义在于，证明在晶圆上是可以制成单晶的，而且可以被移动并用于器件的制造。

“目前还没有一种方法可以在晶圆片上生产具有极高重现性的hBN单层介质，而这是电子工业所必须的，”李补充说。“这篇论文揭示了我们可以实现这一目标的科学原因。”

实现目标的过程

早在1975年，英特尔公司的戈登·摩尔就预测，集成电路中的晶体管数量每隔几年就翻一番。然而集成电路体系结构越来越小，晶体管的数量很难遵循这种发展规律。但若是可以将这些二维层彼此分离，再在每一层上堆叠数以百万的晶体管，就可能可以突破这个限制。为此，具有宽带隙的绝缘材料hBN成为了最主要的候选材料。

尽管名称中有“六方形”，但hBN的单分子层其实是硼和氮原子两个不同的三角形晶格的叠加。如果要使材料达到规定要求，那么hBN晶体必须是完美的——换句话说，三角形必须连接起来，而且所有的三角形都应该指向同一个方向。

一个完美的hBN分子，它的原子必须精确地与下面基板上的原子对齐。科学家们发现，以(111)排列的铜（数字是指晶体表面的取向）可以完成这项工作，但它只有在氢存在和极端温度下在蓝宝石衬底上退火后才能起作用——因为退火会除去铜中存在的晶界，留下单晶。但是像这样一个完美的表面将会“太光滑”以至于无法实现 hBN 定向，雅克布森补充道。

去年，雅克布森在一项研究中报道了如何在银(111)上培育原始的硼烷，同时还有一个理论预测，即铜能够通过存在于其表面的“互补台阶（complementary steps）”来调整 hBN。这项研究引起了台湾工业研究人员的兴趣，他们在去年的一次谈话后找到了这位教授。

根据他以前的经验，雅各布森提出，铜(111)能够在其表面由于热波动而保留阶梯状的台阶，即使其自身的晶界被消除。这些随机台阶（random steps）中的原子提供了完美的界面能来结合和约束hBN。当hBN通过相当弱的范德华力与铜平面结合时，它们就会随着一个方向生长。

他说：“每个表面都有台阶，但是在先前的工作中，这些台阶都在经过精心设计的邻近表面上，这意味着它们全部都下降了，或者全部上升了。但是，在铜（111）上，基本热力学所提供的步伐只是一个或两个原子而随机地上下移动。”

由于铜的取向，水平原子平面相对于下方的晶格偏移了一小部分。“台阶的表面看起来是一样的，但它们不是完全一样的镜面双胞胎。”雅克布森解释说：“下面这一层的重叠部分在一边比在另一边大。”这种现象使得铜平台每边的结合能相差0.23 eV（每接触1/4纳米），这种能量足以推动对接的hBN原子核向同一方向生长。

实验小组发现最佳的铜厚度为500纳米，足以通过在铜（111）/蓝宝石衬底上化学气相沉积氨硼烷来防止hBN生长期间铜的蒸发。该研究得到了台湾科学技术部、台湾教育部、台积电、中国国家自然科学基金会、美国能源部和中国科学院的支持。

来源：azonano

粉体Coco编译