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

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