二维CMOS卡壳多年，终于有了新解法

东京大学工学系研究科的研究人员联合日本、中国台湾地区多家科研机构，研制出一种可在整片2英寸晶圆上生长的原子级超薄p型半导体。这项实验成果发表于《自然》期刊，论文详细介绍了单层硼碳氮薄膜的合成工艺，并基于该材料制备出高性能场效应晶体管。这支国际团队在铜衬底上实现了连续单层晶体生长，搭建起一套可行的材料平台，打通了原子尺度材料设计与晶圆级制造之间的通路，为可规模化的二维电子器件提供了学界长期寻求的技术路线。

现代计算架构的核心基础是互补电路，同时包含依靠带负电电子导电的n型晶体管，以及依靠带正电空穴导电的p型晶体管。近年来，具备优异n型输运特性的二维半导体发展迅速，但是能够在大面积基底上均匀制备、性能匹配的p型材料一直十分稀缺。这一长期存在的技术短板，成为研制低功耗二维互补集成电路的重大瓶颈，大面积p型二维半导体的稳定合成，也因此成为该领域必须攻克的关键里程碑。

为突破这一材料限制，研究团队将目光投向氮化硼。这种原子级薄层材料由硼、氮原子交替排布形成有序六方晶格，天然是电绝缘材料。借鉴传统硅半导体工艺里替位掺杂调控导电特性的思路，研究人员在薄膜生长过程中，直接将碳原子引入绝缘的六方晶格内部。光谱表征证实，这种定向结构改造，把绝缘晶格转化为具备半导体特性的有源材料，带隙约1.90电子伏特。原子分辨显微镜观测显示，即便存在局部结构畸变，最终形成的晶体晶格依然保持连续；在观测区域内，碳原子或者碳原子对会优先取代晶格中的氮原子位点。

想要在2英寸晶圆上生长连续的单层硼碳氮，需要解决铜表面外延合成过程中复杂的化学供给难题。以往合成方案的主要障碍在于：硼、碳、氮三种前驱物质，无法同步输送到生长反应界面，存在供给在时间与空间上的错配。为解决该失衡问题，团队选用两种分子前驱体：单甲基氨硼烷与氨硼烷。通过调控二者的脱氢过程与表面反应路径，研究人员在整片衬底上实现了组分供给的协同匹配，有效抑制富碳团聚缺陷的生成，让碳原子干净、有序地嵌入六方氮化硼晶格当中。

这项工作的核心突破，是可以在原子尺度调控材料组分，同时维持大范围内晶体结构的连续性。论文通讯作者、东京大学的Vincent Tung强调，精准控制碳原子向基体晶格的嵌入，让团队能够从原子底层开始调控材料的电学特性。他表示，这套化学方案既可以实现高效导电，又能维持器件稳定工作所必需的晶体有序性。他同时指出，该研究证明原子级结构工程与晶圆级合成可以同步推进，二者并不是相互排斥的工艺目标。

为严格验证新材料的电学品质、均匀性以及制备重复性，研究人员从三批独立生长的薄膜中，一共制作并测试了224个硼碳氮场效应晶体管。这批p型器件的场效应空穴迁移率约100平方厘米每伏每秒，导通电流超过每微米沟道0.9毫安；同时器件开关电流比达到约10⁸。在整片2英寸晶圆表面、不同制备批次之间，电学参数呈现稳定的统计分布，证明这套外延生长工艺具备良好的器件均匀性。

实验结果表明，晶圆级硼碳氮的电学与结构特性，足以和先进n型二维半导体形成互补。不过研究团队也提醒，目前还没有完成完整互补集成电路的验证。除了适配平面电路架构之外，这种材料极薄的形态与稳定性，也为未来单片三维集成电路提供了潜在路径。团队后续的研究重点包括：进一步提升碳原子替位位点的原子级控制精度、降低生长工艺温度、实现该p型通道与n型通道的直接器件集成，以及把这套化学气相合成工艺打磨成可面向制造的半导体工艺流程。