日本科学家合成均匀多层六方氮化硼，可实现石墨烯器件性能提升

2023年2月7日，由九州大学全球创新中心、大阪大学科学与工业研究所和国家先进工业科学技术研究所组成的联合研究小组，宣布成功合成了均匀多层六方氮化硼，并已使用该技术改善了大型石墨烯器件的性能。

在半导体微型化接近极限的现状下，石墨烯等超薄二维原子片有望成为引领下一代半导体发展的“二维材料”。其中，石墨烯是最具代表性的一种，在物质中载流子迁移率最高，被应用于IC和传感器；另外过渡金属二硫化物(TMDC)也是二维材料，可以像硅一样在半导体中用作通道材料。不过，这些二维材料的大部分组成原子都暴露在表面上，因此在应用时由于表面带电以及表面吸附的氧和水分的影响，无法完全发挥本身的特性。

多层六方氮化硼在石墨烯器件中的重要性

左：（无多层hBN）由于基板的不平整以及气体的吸附作用，石墨烯特性无法完全发挥；

右：（有多层hBN）多层氮化硼很好地保护了石墨烯。

于是科学家想到，如果能使用六方氮化硼（hBN）保护上下层石墨烯，就可以显着改善电学和光学性能，并可以利用石墨烯的特性。然而在当时，大面积均匀合成多层hBN的技术尚未建立。

为了制备出均匀多层hBN，研究团队使用主要由Fe和Ni组成的市售合金箔，在加热至约1200℃的反应器中，在合金箔表面采用化学气相沉积法(CVD)合成了多层厚度为2-10 nm的hBN。下图右是从Fe-Ni合金箔转移到硅基板上的多层hBN的照片以及用光学显微镜拍摄的放大照片。可以看出，得到了厚度比较均匀、色泽不均匀的多层膜。

由于多层hBN和石墨烯是在金属上合成的，因此科学家使用不留金属残留物的电化学方法（而不是蚀刻法），对多层hBN进行了转移，并与石墨烯堆积在一起，下图是转移的过程。

多层hBN与石墨烯转移制备hBN-石墨烯叠层结构方案

最后，器件被制造出来并进行了评估。石墨烯/hBN堆叠器件的横截面电子显微照片及其元素分析显示，在11层多层hBN的顶面存在一层石墨烯（下图c）。对60多个器件进行的系统比例比较表明，电化学方法比蚀刻方法表现出更高的迁移率，并且通过将石墨烯夹在hBN之间实现了迁移率的最显著增加（下图d）。

(a) 石墨烯器件的光学显微镜图像

(b) 石墨烯/hBN器件的放大光学显微镜图像

(c) 横截面电子显微镜图像

(d) 各种器件的载流子迁移率比较

未来，该课题组将进一步提高hBN的均匀性，以增加hBN的面积为目标。此外，通过抑制转移过程中出现的褶皱和气泡，以进一步提高石墨烯器件的特性，为下一代半导体和工业应用的开发做出贡献。