东京大学Nature 重大突破：晶圆级高迁移率 p 型硼碳氮，补齐二维芯片 p 型材料短板

近日，东京大学工学院化学系统专攻Vincent Tung教授课题组在新型单原子厚度p型半导体的化学气相沉积研究中取得最（新）进展，该研究成果以“Wafer-scale epitaxy growth of high-mobility p-type boron carbon nitride”为题发表在《Nature》上。

在这一从材料生长到晶圆级器件验证的突破性研究中，托托科技的无掩模版紫外光刻设备为BCN FET阵列的源极和漏极电极图形化提供了工艺支撑，助力团队完成从二维材料合成到高性能p型器件阵列验证的关键跨越。

摘要：

实现二维（2D）CMOS技术长期以来面临的一个关键瓶颈，是缺乏高性能的p型半导体材料。较强的电子掺杂倾向、轨道局域化以及显著的空穴散射等因素，共同阻碍了稳定、高效p型二维材料的发展。该研究报道了硼碳氮（boron carbon nitride，BCN）作为一种高性能p型半导体的外延生长。通过调控单甲基氨硼（烷）（monomethyl ammonia borane，MMAB）和氨硼（烷）（ammonia borane，AB）的脱氢过程以及表面反应路径，研究人员克服了一个关键障碍，即B、C和N原子在供给过程中的空间和时间不匹配，这一问题会导致晶格均匀性降低。该研究最终实现了晶圆尺度的单层二维BCN。其中，C原子及C二聚体主要取代连续结晶、局部发生畸变的氮化硼晶格中的N位点，从而形成约1.90 eV的带隙。

在晶圆尺度制备的p型BCN FET阵列中，该研究实现了优（异）的器件性能，包括：场效应空穴迁移率：100 cm² V⁻¹ s⁻¹，开启电流：>0.9 mA μm⁻¹，开关比：10⁸，阈值电压：−0.45 V。这些性能超过了此前报道的大多数先（进）p型二维半导体。该研究建立了一个具有可扩展性和稳定性的p型BCN材料平台，为二维互补金属氧化物半导体（CMOS）以及三维单片集成互补电子器件的发展提供了一种新的材料体系。

工作内容：

该研究针对二维CMOS技术中高性能p型二维半导体材料不足的问题，开展了硼碳氮（boron carbon nitride，BCN）二维材料的晶圆尺度外延生长研究。BCN是一种由B、C和N三种元素组成的二维材料，通过将C原子引入六方氮化硼（h-BN）晶格，可以显著改变原有h-BN的电子结构，使其从宽禁带绝缘体转变为具有适当带隙的二维半导体。为了实现BCN的大面积、高质量生长，该研究采用monomethyl ammonia borane（MMAB）和ammonia borane（AB）作为前驱体，并重点调控两种前驱体的脱氢过程以及后续的表面反应路径。由于B、C和N三种元素具有不同的化学反应活性和供给速率，传统生长过程中容易出现不同元素供给在时间和空间上的不匹配，从而造成成分不均匀和晶格缺陷。该研究通过优化前驱体反应过程，使B、C、N三种元素能够更加协调地参与晶体生长，最终实现了具有良好连续性和均匀性的晶圆尺度单层BCN外延薄膜。

在实现大面积BCN生长的基础上，该研究进一步利用高分辨率扫描透射电子显微镜对BCN进行了原子尺度结构表征，以确定C原子在BN晶格中的具体占位方式以及BCN的局部晶格结构。原子分辨率图像表明，所获得的BCN并不是由独立的BN和碳材料区域简单拼接而成，而是在连续的六方BN晶格中形成C原子的取代结构。其中，C原子以及由相邻C原子形成的C二聚体主要取代BN晶格中的N位点。由于C与N在原子尺寸、成键特性以及电子结构方面存在差异，这种取代会引起局部键长和键角变化，并导致一定程度的晶格畸变。然而，整体晶格仍然保持连续的二维晶体结构。这一结果从原子尺度直接证明了C原子能够稳定地进入BN晶格，并为后续BCN半导体电子结构的形成提供了结构基础。

为了进一步确认BCN薄膜在不同尺度下的结构完整性和组成均匀性，该研究对所制备的薄膜进行了系统的多尺度表征。通过显微结构观察和光谱分析，可以确认BCN薄膜具有良好的连续性，并能够在较大面积范围内保持相对均匀的材料组成。同时，相关化学和光谱表征进一步验证了B、C和N三种元素在薄膜中的存在及其化学键合状态。通过将原子尺度的结构表征与微米乃至晶圆尺度的形貌和组成分析相结合，该研究证明所获得的BCN并非仅在局部区域形成，而是能够实现较大面积、连续且具有较好均匀性的二维晶体生长。这为进一步开展BCN的电子结构研究和晶体管器件制备奠定了材料基础。

在确认BCN的晶体结构和材料质量之后，该研究进一步研究了其电子结构以及半导体性质。理论计算和实验表征结果表明，C原子取代BN晶格中的N位点后，会显著改变原有h-BN的电子结构，使材料的带隙明显降低。该研究获得的BCN具有约1.90 eV的带隙，相比于具有超宽带隙的h-BN，更适合用于半导体电子器件。同时，C的引入改变了费米能级附近的电子态分布，使BCN表现出明显的p型输运特性。因此，该研究不仅实现了BCN的结构可控生长，而且建立了材料组成、局部晶格结构与电子性质之间的联系，说明通过C对BN晶格进行特定位置的取代，可以获得具有适当带隙和p型导电特性的二维半导体材料。

为了验证BCN作为二维半导体材料的实际应用潜力，该研究进一步制备了基于BCN的p型场效应晶体管，并对其电学输运性能进行了系统评价。器件采用BCN作为沟道材料，并使用20 nm HfO₂作为栅介质，通过栅极电压对沟道中的空穴载流子进行调控。器件表现出明显且稳定的p型场效应输运行为，并获得了较高的空穴迁移率和较大的驱动电流。最佳器件的空穴场效应迁移率达到约100 cm² V⁻¹ s⁻¹，开启电流超过0.9 mA μm⁻¹，开关比达到10⁸，阈值电压约为−0.45 V。这些结果表明，该研究获得的BCN不仅在材料层面具有合适的带隙和p型特性，而且能够实现高性能的晶体管器件，为构建具有互补逻辑功能的二维CMOS器件提供了重要的p型材料基础。

作者信息介绍：

东京大学工学院化学系统专攻博士研究生曾建智，博后研究员黄张勋，以及台湾阳明交通大学材料科学与工程学院博士研究生高睿成为文章的共同一作，东京大学工学院Vincent Tung教授，台湾中央研究院应用科学研究中心包淳伟教授，台湾大学材料科学与工程学院周苡嘉教授，东京大学工学院傅睿函助教为通讯作者。

该工作还受到了东京大学工学院石川亮副教授，日本国立材料研究所何亚伦研究员，以及东京大学工学院材料系长汐晃辅教授的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-026-11047-9