2024年8月12日かれん最新番号，北京大学化学与分子工程学院彭海琳解释盘问团队与深圳理工大学丁峰解释团队在《当然-材料》（Nature Materials）在线发表了题为“Ultraflat single-crystal hexagonal boron nitride for wafer-scale integration of a 2D-compatible high-κ metal gate”的盘问论文，报说念了超平整氮化硼单晶晶圆的可放手备，并终端了二维器件兼容的高介电金属栅极（HKMG）的晶圆级集成。

论文截图

二维材料具有丰富的物理特点，在电子、动力和催化等畛域具有广宽的应用前程。尤其是在高性能电子器件畛域，原子级厚度的高迁徙率二维半导体有望成为下一代沟说念材料，连续摩尔定律。而在二维电子器件中，栅介质与二维沟说念材料之间仍然存在流毒、杂质以及吊挂键等问题，变成载流子的散射，严重制约了器件性能。因此，赢得高质地的沟说念-栅介质界面是学术界与工业界和顺的重心。六方氮化硼俗称“白石墨烯”，与石墨烯的二维晶体结构肖似，具有无吊挂键和原子级平整名义，又兼具高导热率和细密电绝缘性，是理念念的二维界面缓冲材料，马虎减少二维沟说念材料与栅介质集成时的界面损害和载流子散射，有助于赢得二维材料的本征优异性质。面向高介电金属栅极（HKMG）的晶圆级集成与高性能二维电子器件应用，六方氮化硼界面材料的平整度、单晶性、大面积均一制备、与先进半导体工艺兼容性等问题均亟待措置。现在，通过化学气相千里积法（CVD）在富含台阶的Cu（110）、Ni（111）箔材与Cu（111）薄膜等金属衬底名义还是马虎终端单晶氮化硼的制备，可是超平整氮化硼晶圆的可放手备尚未终端。

氮化硼的CVD制备关键频频在高温（约1000°C）下进行，因此在后续降温过程中，由于氮化硼与金属衬底的热膨大系数不匹配，变成热应力的握住累积，最终氮化硼和金属衬底分辩通过形成褶皱和台阶的神气开释应力。而这些褶皱和金属台阶极地面缩短了氮化硼的平整度与均匀性，严重缩短了其优异的性质。肖似的气候在石墨烯制备过程中也普遍存在，况兼盘问标明金属名义多半台阶的急剧形成会触发石墨烯褶皱的产生。此前，彭海琳课题组和互助者已终端4英寸超平整石墨烯单晶晶圆的畛域制备、无损洁净回荡和器件应用（ACS Nano 2017， 11 ，12337；Nature Commun. 2022， 13 ， 5410；Nature Methods 2023， 20， 123）。     

针对超平整氮化硼单晶晶圆的可放手备贫困，彭海琳课题组与深圳理工大学丁峰解释团队互助，提议了在Cu0.8Ni0.2（111）/蓝对峙名义通过界面互相作用劲调控，增强氮化硼薄膜与金属衬底的耦互助用（承接能与摩擦力），从而确保氮化硼畴区单一取向并同期遏止褶皱形成，终端了4英寸超平整单层氮化硼单晶晶圆的可放手备（图1）。基于高质地的氮化硼晶圆，筹算并制备了4英寸超平整氮化硼/高介电氧化铪/金属复合型栅电极，并终端了其与石墨烯等二维材料的无损范德华回荡集成。  

 图1. CuNi（111）/蓝对峙衬底名义超平整单晶氮化硼的制备暗示图

盘问标明，通过调控铜镍合金中金属Ni的含量不错调控氮化硼与滋长衬底之间的承接能与摩擦力，当Ni含量<15%时，氮化硼的畴区有两种取向，当Ni含量≥15%时，氮化硼的畴区取向一致（图2）。这主如果因为跟着Ni含量的增大，氮化硼与金属衬底之间的距离缩短（Ni含量为20%时，间距仅为2.7Å）氮化硼与衬底之间的耦合变强，单一取向的畴区能量更低。  

 图2. 超平整氮化硼单晶晶圆的制备。不同Ni含量的衬底上滋长氮化硼的（a）SEM图像；（b）AFM图像；（c）Ni含量为20%和0时，氮化硼与金属衬底的截面透射图像；（d）在4英寸Cu0.8Ni0.2/蓝对峙衬底名义制备的超平整氮化硼单晶晶圆

更热切的是，由于氮化硼与滋长衬底之间的强耦合，二者间的摩擦力与承接能随之增大。在滋长衬底上氮化硼的褶皱形成过程包含两步，一是氮化硼与衬底间局域的脱附，从而形成小的褶皱；二是脱附氮化硼在衬底上的滑动，使得褶皱形成。因此，氮化硼与滋长衬底之间更强的摩擦力和更大的承接能马虎遏止氮化硼中褶皱的产生，最驱逐尾超平整氮化硼单晶晶圆的制备。  

 图3. 在Cu0.8Ni0.2（111）衬底上氮化硼的褶皱遏止机制。（a）单层氮化硼分辩在Cu0.8Ni0.2（111）衬底（左）和Cu（111）衬底（右）上的原子模子；（b）氮化硼分辩与Cu0.8Ni0.2（111）和Cu（111）的承接能（红色）和摩擦力（蓝色）；（c—d）在Cu0.8Ni0.2（111）衬底（c）和Cu（111）衬底（d）上的臆想得到的褶皱形成的临界应力随冷却速度的变化；（e）降温过程中在Cu0.8Ni0.2（111）衬底上氮化硼褶皱被遏止（左）和在Cu（111）衬底上氮化硼褶皱产生（右）的暗示图

除此以外，基于超平整氮化硼单晶晶圆，盘问团队筹算并制备了可回荡的超平整氮化硼/氧化铪/金属复合栅电极，终端了复合栅电极与石墨烯等二维材料的高质地范德华集成，并证实出优异的栅控性能。具体而言，盘问团队愚弄半导体工艺兼容的原子层千里积工夫（ALD），在超平整单晶氮化硼/Cu0.8Ni0.2/蓝对峙晶圆上制备了超薄、雅致无比且均匀的高介电氧化铪薄膜，并千里积了顶电极，得到了可回荡的、高质地超平整氮化硼/氧化铪/金属复合栅电极（图4），制备的复合栅介质的等效氧化层厚度可达0.52nm，达到海外器件与系统门路图2025年的条件，走电流（2.36×10−6 Acm−2）茂盛晶体管低功耗条件。盘问团队还通过回荡的神气终端了复合型高κ 金属栅电极与石墨烯的范德华集成。与径直在石墨烯名义原子层千里积的氧化铪比较，愚弄氮化硼范德华集成的复合栅介质幸免了石墨烯界面流毒与掺杂的产生，展示出石墨烯优异的本征性质，并证实出优异的封装与栅控性能。    

图4. （a）4英寸超平整氮化硼/氧化铪/金属复合栅电极的制备与回荡过程；（b）不同厚度复合栅介质的C-V测试极度对应的EOT；（c）hBN/HfO2复合栅介质的EOT-走电流密度对比图；（d）范德华集成5 nm hBN/HfO2与径直滋长5 nm HfO2后石墨烯晶体管的回荡弧线；（e）不同栅介质集成后石墨烯的迁徙率与载流子浓度统计柱状图；（f）范德华集成~5 nm hBN/HfO2复合栅介质后，石墨烯顶栅晶体管的回荡弧线

说七说八，该项盘问责任初次在Cu0.8Ni0.2/蓝对峙衬底名义终端了超平整氮化硼单晶晶圆的可放手备，揭示了氮化硼与滋长衬底之间的强互相作用是终端超平整单晶氮化硼薄膜制备的关键，并终端了超平整氮化硼/氧化铪/金属复合栅电极的可放手备极度与石墨烯等二维材料的范德华集成。彭海琳、丁峰是该论文责任的共同通信作家，并排第一作家包括北京大学化学与分子工程学院博士生王雅妮、深圳理工大学博士后赵超、北京大学前沿交叉盘问院博士生高欣、北京大学博雅博士后郑朝晨。    

该盘问得到国度当然科学基金委、科技部、北京分子科学国度盘问中心、腾讯基金会、北京大学博雅博士后等机构和项指标资助かれん最新番号，并得到了北京大学化学与分子工程学院分子材料与纳米加工履行室（MMNL）仪器平台的鼎力支持。