实现4英寸单晶菱方氮化硼晶圆批量制备

近日，《自然-纳米技术》在线刊发了北京大学、中国科学院物理研究所、松山湖材料实验室、中国科学院东莞材料科学与技术研究所等单位合作完成的最新成果。研究团队提出台阶模板界面外延策略，实现4英寸单晶菱方氮化硼（rBN）晶圆的可重复批量制备，并构建高性能滑移铁电场效应晶体管（FeFET）及其晶圆级阵列。该器件展现纳秒级极化翻转、超过2×109次抗疲劳特性和外推长达10年的非易失存储能力；即使在30纳米超短沟道下，仍可保持4V大存储窗口和超过470 K的优异热稳定性，综合性能优于已报道的二维铁电晶体管。

台阶模板界面外延批量制备4英寸单晶rBN晶圆。研究团队供图，下同 传统铁电材料通常依靠晶格内部离子微小位移改变极化方向，二维滑移铁电材料则通过相邻原子层相对滑动实现极化翻转。该机制不仅能在纳米尺度保持稳定，还兼具超快翻转动力学与极低功耗；表面无悬挂键，天然适配片上集成工艺。rBN具有平行ABC堆垛结构，兼具约6 eV宽带隙、10-20 MV/cm高击穿场强、约350 W·m-1·K-1高面内热导率以及1100 °C空气稳定的极端材料稳定性。但rBN晶圆批量制备长期面临三大挑战：菱方相热力学不占优势，形成能比六方相高约2 meV/原子；晶圆级均匀性与批次一致性极难保证；大规模集成可行性与极限性能尚未验证。此前，rBN滑移铁电性长期停留在原理验证层面。

rBN晶圆的原子尺度结构与大尺度极化表征。 针对上述挑战，研究团队提出台阶模板界面外延策略。该策略以经高温退火处理的m面蓝宝石为模板，利用其表面平行高台阶结构，通过磁控溅射Ni-B合金薄膜实现台阶共形复制；BN层氮终止特定边缘倾向于依附金属表面固态台阶，保证晶畴单向生长；硼源由Ni-B薄膜在界面处持续供给，使每一新生层都在台阶引导下保持一致的取向与平行堆垛秩序，确保全晶圆范围内统一的菱方相结构。生长后的rBN薄膜可批量转移至其他衬底，蓝宝石台阶模板可循环复用于下一批次生长，实现4英寸rBN单晶晶圆批量生产，晶圆厚度可达45纳米。

rBN层的滑移铁电性能及其与传统铁电介质的综合对比。 低能电子衍射、X射线衍射φ扫描与二次谐波等多尺度结构表征证实，所制备rBN晶圆具有高相纯度。晶圆激光损伤阈值达490 GW/cm2，击穿场强达10 MV/cm，面内热导率达320 W·m-1·K-1。选区电子衍射与高分辨透射电镜证实典型菱方堆垛特征，截面扫描透射电镜直接捕捉到相邻层单向滑移排列；倾斜入射SHG测量揭示rBN薄膜同时存在面内与面外极化，且面外极化在大尺度范围内高度一致，为滑移铁电性奠定结构基础。 铁电性能方面，金属-铁电-金属电容电滞回线、压电力显微镜蝶形回线与相位回线，以及极化翻转区域截面电镜观察，共同证实rBN层通过ABC?CBA堆垛转变实现本征滑移铁电开关。研究团队以rBN为介电层、单层石墨烯为沟道构建FeFET，系统评估器件级铁电性能：极化翻转所需最小脉冲宽度进入纳秒量级，达到测试系统探测极限；同一器件经超过2×109次双极性脉冲循环后开关性能几乎不变，保持特性外推可达10年。与传统铁电介质相比，rBN在开关速度、耐久性、保持能力、击穿场强和热导率等维度展现综合优势。

晶圆级rBN/MoS2铁电晶体管阵列的晶圆级铁电性能。 为验证工业化兼容潜力，研究团队基于rBN晶圆构建大规模金属-铁电-金属-绝缘体-半导体结构FeFET阵列。器件以rBN薄膜为铁电层、单层二硫化钼（MoS2）为沟道，并引入Pd中间金属层及HfO2阻挡层，以改善极化翻转和界面电荷行为。测试显示，器件呈现与铁电极化对应的逆时针滞回，最高开关比达106，统计平均开关比约3×105、平均存储窗口2.5 V。团队进一步将沟道长微缩至30纳米，器件仍保持明显铁电滞回，室温存储窗口最高约4 V，开关比约104；原位变温测试表明，铁电特性在473 K时依然稳健（存储窗口4 V、开关比约103），远超358 K芯片散热极限；经105次极化翻转循环后性能无明显衰退，保持特性外推10年开关比仍可维持在103以上。这些结果表明，rBN/MoS2 FeFET在热稳定性与高密度集成方面具有巨大潜力。 该研究面向大数据时代高密度信息存储典型应用场景，建立rBN晶圆批量制备可靠方法学，系统验证其超快、耐疲劳滑移铁电特性与超短沟道、高耐热集成器件性能，确立rBN作为下一代滑移铁电存储器可规模化制备关键材料地位，为其在高密度存储芯片与人工智能加速器、存内计算等电子信息领域应用铺平道路。