仪器新应用，科学家首次实现4英寸、超平整单晶六方氮化硼的外延生长！

【研究背景】

六方氮化硼（hBN）作为一种具有原子级平整性和无悬挂键的二维材料，因其优异的介电性能和化学稳定性，成为了下一代大规模集成电子设备中介电材料集成的研究热点。然而，尽管大量研究致力于生长单晶hBN薄膜，晶圆级超平整hBN仍然未能实现，主要挑战在于其表面褶皱和底层金属台阶堆积的问题，这会显著影响hBN的性能及其在高质量2D材料集成中的应用。

为解决这一问题，北京大学彭海琳教授和深圳理工大学丁峰教授等人提出了一种新颖的外延生长方法，通过在Cu0.8Ni0.2(111)/蓝宝石晶圆上生长hBN。该方法利用hBN与Cu0.8Ni0.2(111)之间的强耦合，成功地抑制了褶皱和台阶堆积的形成，实现了晶圆级的超平整单晶hBN薄膜。相关成果在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Ultraflat single-crystal hexagonal boron nitride for wafer-scale integration of a 2D-compatible high-κ metal gate”的最新论文。

基于这一超平整hBN作为保护层，研究者们进一步将超薄高κ介电材料集成到二维材料上，形成了无损伤的界面。所得到的hBN/HfO2复合介电体展示了超低的漏电流（2.36×10−6 A cm−2）和0.52 nm的超薄等效氧化层厚度，满足了国际器件与系统路线图的目标。这一研究不仅解决了超平整hBN的生长难题，还为未来2D电子设备的集成提供了有效的策略。

【科学亮点】

1. 实验首次在Cu0.8Ni0.2(111)/蓝宝石晶圆上成功外延生长了4英寸超平整单晶hBN薄膜。 通过利用hBN与Cu0.8Ni0.2(111)之间的强耦合，显著抑制了褶皱的形成，并确保了平行对齐的hBN领域的无缝拼接，从而在晶圆级别上实现了超平整的单晶hBN薄膜。这一方法突破了晶圆级超平整hBN的生长难题。

2. 实验通过在超平整hBN上集成超薄高κ介电材料（如HfO2），实现了高质量的2D材料保护层。 所得到的hBN/HfO2复合介电体展示了超低漏电流（2.36×10−6 A cm−2）和0.52 nm的超薄等效氧化层厚度，符合国际器件与系统路线图的目标。此结果表明，通过这种集成方法，可以在2D电子器件中实现高性能的介电保护层。

【科学图文】

图1： Cu0.8Ni0.2(111)晶圆上，超平六方氮化硼Hexagonal boron nitride，hBN单晶设计。

图2. 超平六方氮化硼hBN薄膜的表征。

图3.  在Cu0.8Ni0.2(111)衬底上，褶皱抑制机制。

图4. 在二维2D材料上，高介电常数/金属栅极high-κ/metal gate，HKMG集成。

【科学结论】

本文的研究揭示了超平整单晶hBN在二维材料集成中的重要性及其潜力。通过在Cu0.8Ni0.2(111)/蓝宝石晶圆上外延生长4英寸超平整单晶hBN，展示了强耦合效应在抑制褶皱和确保平行对齐领域无缝拼接中的关键作用。这种超平整的hBN薄膜不仅为高质量二维材料的合成提供了新的平台，还为未来高性能电子器件的制造奠定了基础。通过将超平整的hBN作为保护层，成功集成了晶圆级超薄高κ介电材料，形成了无损伤的界面，达到了超低漏电流（2.36×10−6 A cm−2）和超薄等效氧化层厚度（0.52 nm）的优异性能。这一成果不仅满足了国际器件与系统路线图的要求，还推动了二维材料的研究进展。未来的研究可以在此基础上进一步探索超平整二维材料的合成方法，以及其在先进电子器件中的应用潜力，从而促进新一代电子技术的发展。

参考文献：Wang, Y., Zhao, C., Gao, X. et al. Ultraflat single-crystal hexagonal boron nitride for wafer-scale integration of a 2D-compatible high-κ metal gate. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01968-z