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            原子厚度的hBN薄片問世,或成為未來微電子學的關鍵材料
            發布日期:2020/3/9 13:25:16 發布者:管理員

            最近萊斯大學的研究人員在《自然》雜志上發表了一項研究成果,他們成功使晶圓上生長出原子厚度、直徑達兩英寸的六方氮化硼(hBN)薄片。報告中指出,hBN是一種寬帶隙半導體,研究人員利用銅基板上隨機臺階(randomsteps)之間的無序現象,令人驚訝地實現了長期追求的目標:生產出完全有序的hBN晶體。

            氮化硼和硼原子排列在銅基板上,形成一個大規模有序的六方氮化硼晶體

            這種晶片大小的材料可能成為未來二維電子學的關鍵絕緣體

            (圖片來源:臺積電)


            當晶圓級別的hBN集成到芯片中作為納米級晶體管層之間的介電體時,它在抑制電子散射和限制內置電路效率方面表現十分突出。然而,到目前為止,還沒有人成功制造出大到足以使用的、完美有序的hBN晶體。

            鮑里斯·雅各布森(BorisYakobson)是布朗工程學院的材料理論家,同時也是與臺灣半導體制造股份有限公司的Lain-JongLi和他的團隊共同進行這項研究的首席研究員。理論分析和第一性原理計算由臺積電的Yakobson和Chih-PiaoChuu完成,以闡明他們的合著者在實驗中看到的機制。

            臺灣國立交通大學和臺積電的實驗人員開發了一種兩英寸的2DhBN薄膜,作為制造概念的證明。然后,他們將hBN薄膜轉移到硅上,并在hBN薄膜上添加一層被印在2D二硫化鉬上的場效應晶體管。這項工作的主要意義在于,證明在晶圓上是可以制成單晶的,而且可以被移動并用于器件的制造。

            “目前還沒有一種方法可以在晶圓片上生產具有極高重現性的hBN單層介質,而這是電子工業所必須的,”李補充說?!斑@篇論文揭示了我們可以實現這一目標的科學原因?!?/span>


            實現目標的過程

            早在1975年,英特爾公司的戈登·摩爾就預測,集成電路中的晶體管數量每隔幾年就翻一番。然而集成電路體系結構越來越小,晶體管的數量很難遵循這種發展規律。但若是可以將這些二維層彼此分離,再在每一層上堆疊數以百萬的晶體管,就可能可以突破這個限制。為此,具有寬帶隙的絕緣材料hBN成為了最主要的候選材料。

            盡管名稱中有“六方形”,但hBN的單分子層其實是硼和氮原子兩個不同的三角形晶格的疊加。如果要使材料達到規定要求,那么hBN晶體必須是完美的——換句話說,三角形必須連接起來,而且所有的三角形都應該指向同一個方向。

            一個完美的hBN分子,它的原子必須精確地與下面基板上的原子對齊??茖W家們發現,以(111)排列的銅(數字是指晶體表面的取向)可以完成這項工作,但它只有在氫存在和極端溫度下在藍寶石襯底上退火后才能起作用——因為退火會除去銅中存在的晶界,留下單晶。但是像這樣一個完美的表面將會“太光滑”以至于無法實現hBN 定向,雅克布森補充道。

            去年,雅克布森在一項研究中報道了如何在銀(111)上培育原始的硼烷,同時還有一個理論預測,即銅能夠通過存在于其表面的“互補臺階(complementarysteps)”來調整hBN。這項研究引起了臺灣工業研究人員的興趣,他們在去年的一次談話后找到了這位教授。

            根據他以前的經驗,雅各布森提出,銅(111)能夠在其表面由于熱波動而保留階梯狀的臺階,即使其自身的晶界被消除。這些隨機臺階(randomsteps)中的原子提供了完美的界面能來結合和約束hBN。當hBN通過相當弱的范德華力與銅平面結合時,它們就會隨著一個方向生長。

            他說:“每個表面都有臺階,但是在先前的工作中,這些臺階都在經過精心設計的鄰近表面上,這意味著它們全部都下降了,或者全部上升了。但是,在銅(111)上,基本熱力學所提供的步伐只是一個或兩個原子而隨機地上下移動?!?/span>

            由于銅的取向,水平原子平面相對于下方的晶格偏移了一小部分?!芭_階的表面看起來是一樣的,但它們不是完全一樣的鏡面雙胞胎?!毖趴瞬忌忉屨f:“下面這一層的重疊部分在一邊比在另一邊大?!边@種現象使得銅平臺每邊的結合能相差0.23eV(每接觸1/4納米),這種能量足以推動對接的hBN原子核向同一方向生長。

            實驗小組發現最佳的銅厚度為500納米,足以通過在銅(111)/藍寶石襯底上化學氣相沉積氨硼烷來防止hBN生長期間銅的蒸發。該研究得到了臺灣科學技術部、臺灣教育部、臺積電、中國國家自然科學基金會、美國能源部和中國科學院的支持。

            來源:azonano

            粉體Coco編譯




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