日本科學家合成均勻多層六方氮化硼，可實現(xiàn)石墨烯器件性能提升

2023年2月7日，由九州大學全球創(chuàng)新中心、大阪大學科學與工業(yè)研究所和國家先進工業(yè)科學技術研究所組成的聯(lián)合研究小組，宣布成功合成了均勻多層六方氮化硼，并已使用該技術改善了大型石墨烯器件的性能。

在半導體微型化接近極限的現(xiàn)狀下，石墨烯等超薄二維原子片有望成為引領下一代半導體發(fā)展的“二維材料”。其中，石墨烯是最具代表性的一種，在物質中載流子遷移率最高，被應用于IC和傳感器；另外過渡金屬二硫化物(TMDC)也是二維材料，可以像硅一樣在半導體中用作通道材料。不過，這些二維材料的大部分組成原子都暴露在表面上，因此在應用時由于表面帶電以及表面吸附的氧和水分的影響，無法完全發(fā)揮本身的特性。

多層六方氮化硼在石墨烯器件中的重要性

左：（無多層hBN）由于基板的不平整以及氣體的吸附作用，石墨烯特性無法完全發(fā)揮；

右：（有多層hBN）多層氮化硼很好地保護了石墨烯。

于是科學家想到，如果能使用六方氮化硼（hBN）保護上下層石墨烯，就可以顯著改善電學和光學性能，并可以利用石墨烯的特性。然而在當時，大面積均勻合成多層hBN的技術尚未建立。

為了制備出均勻多層hBN，研究團隊使用主要由Fe和Ni組成的市售合金箔，在加熱至約1200℃的反應器中，在合金箔表面采用化學氣相沉積法(CVD)合成了多層厚度為2-10 nm的hBN。下圖右是從Fe-Ni合金箔轉移到硅基板上的多層hBN的照片以及用光學顯微鏡拍攝的放大照片。可以看出，得到了厚度比較均勻、色澤不均勻的多層膜。

由于多層hBN和石墨烯是在金屬上合成的，因此科學家使用不留金屬殘留物的電化學方法（而不是蝕刻法），對多層hBN進行了轉移，并與石墨烯堆積在一起，下圖是轉移的過程。

多層hBN與石墨烯轉移制備hBN-石墨烯疊層結構方案

最后，器件被制造出來并進行了評估。石墨烯/hBN堆疊器件的橫截面電子顯微照片及其元素分析顯示，在11層多層hBN的頂面存在一層石墨烯（下圖c）。對60多個器件進行的系統(tǒng)比例比較表明，電化學方法比蝕刻方法表現(xiàn)出更高的遷移率，并且通過將石墨烯夾在hBN之間實現(xiàn)了遷移率的最顯著增加（下圖d）。

(a) 石墨烯器件的光學顯微鏡圖像

(b) 石墨烯/hBN器件的放大光學顯微鏡圖像

(c) 橫截面電子顯微鏡圖像

(d) 各種器件的載流子遷移率比較

未來，該課題組將進一步提高hBN的均勻性，以增加hBN的面積為目標。此外，通過抑制轉移過程中出現(xiàn)的褶皺和氣泡，以進一步提高石墨烯器件的特性，為下一代半導體和工業(yè)應用的開發(fā)做出貢獻。