「智东西」Nature：1纳米芯片将成可能，台积电研制世界最薄二维半导体材料( 三 )

优先配准反映了B和N原子的电子亲和力，这导致N（或B）原子与第一层Cu原子之间产生吸引（或排斥）的库仑相互作用，从而影响结构稳定性。我们发现， 0°（NIBIII）和60°（NIBII）取向的最低能级结构显示出的能量差仅为0.05 eV左右，远小于生长温度下的热能kBT（约0.1 eV），表明与模拟结果一致，面到面不足以实现单向增长。
【「智东西」Nature：1纳米芯片将成可能，台积电研制世界最薄二维半导体材料】

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▲在成核时外延的DFT计算，包含考虑和不考虑台阶边缘对接结果
实际上，如STM图像所示（图2d），铜（111）表面并非完全平坦，存在许多阶梯状曲折台阶。最近的理论表明，必须考虑这些台阶边缘在hBN生长中的作用。其他一些工作表明，基于Cu阶跃阶梯仅在整个Cu的邻近表面上一直向上或向下趋势的假设，在Cu（110）表面的邻近台阶边缘处的对接控制着单晶hBN的生长。但是，作者的STM结果清楚地表明，整个晶圆上Cu（111）表面的平台台阶都向上和向下趋向，并且边缘对接似乎可以在两个方向上产生hBN ，除非结合能相差足够大在另一个方向利于生长。为了在模型中捕捉到这一点，作者在第一层的顶部添加了一层额外的Cu原子层（图3中的红色），形成了两个相对的台阶边缘（图3a中的A和B台阶边缘）。当对接至A（或B）台阶时，这会将B6N7种子限制为0°（或60°）方向（图3a）。
在图3a ， b中，每种配置的Cu台阶边缘和B6N7之字形边缘之间的距离已通过能量最小化确定。在存在铜台阶边缘的情况下，每种构型的结合能以一种微妙而又非常重要的方式变化（图3b）：两种构型NIBII（60°）和NIBIII（0°），平面对平面外延被约0.23 eV的δE值隔开，该值与对接长度成比例增加，迅速放大了玻尔兹曼选择性因子exp(δ/ E kBT)（对于仅五到六个六边形的接触长度，玻尔兹曼选择性因子增加到103以上）。这样的能量差显然确保了单向生长。作者的STM结果（扩展数据，图7）显示，所有弯曲步骤均相当弯曲且局部粗糙，因此它们均由A和B型线段组成。 BN种子应在A到B角处动态成核，同时停靠在具有正确方向的更强结合位点B类型上（扩展数据图7e）。模拟以及实验结果表明， Cu（111）表面具有台阶边缘是实现单晶hBN生长的关键。
在成功的在1英寸Cu（111）薄膜上生长单晶hBN之后，作者进一步将生长规模扩大到了两英寸晶圆，如图4a所示。鉴于完全生长的hBN层与Cu（111）之间的相互作用仅限于弱范德华力，可以借助电化学过程进行聚合物辅助转移15、16来实现晶圆级hBN的分离。图4c显示了转移到四英寸SiO2 / Si晶片上的两英寸hBN单层的照片。结果表明，与使用厚铜箔或其他金属相比，单晶晶圆级hBN在Cu（111）薄膜上的生长具有可扩展性，并且更具成本效益，因此对于微电子行业而言可能是一种首选方法。晶圆级单晶hBN的可用性将刺激并实现未来二维电子学的进一步研究和开发。作者构建了带有和不带有单晶和多晶hBN的单层MoS2场效应晶体管（FET），作为底栅配置中的界面电介质。在具有单晶hBN单层的器件中， MoS2中迁移率的增强和磁滞的抑制是实质性的，这表明其有望用于二维的晶体管。

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▲晶圆级hBN转移过程的原理图和照片
智东西认为，近年来，摩尔定律正在面临失效。晶体管小型化已经逼近物理极限。一旦低于5纳米，晶体管中电子的行为将受制于量子不确定性，很容易产生隧穿效应，晶体管变得不再可靠，芯片制造面临巨大挑战。在所谓的“后摩尔时代” ，世界各国科学家都开始积极探索各种新技术、新工艺、新材料。二维材料，属于这些新兴研究领域中的佼佼者。台积电这种氮化硼单晶，作为保护二维半导体材料的通道，对未来芯片制程的缩小具有十分重要的意义。