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原子厚度的hBN薄片问世,或成为未来微电子学的关键材料
2020年03月09日 发布 分类:技术前沿 点击量:493
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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、极速5分快三国家自然科学基金会、美国能源部和极速5分快三科学院的支持。

来源:azonano

粉体Coco编译

 


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