东京大学团队造出晶圆级p型二维半导体，打通二维CMOS关键一环

三维芯片集成迎来一种新材料：p型二维半导体已经能在晶圆上制备。东京大学工学系研究科的研究人员与日本、中国台湾地区多家科研机构合作，研制出一种原子级超薄的p型半导体，可在整片2英寸晶圆上生长。相关实验成果发表于《自然》期刊，论文介绍了单层硼碳氮薄膜的合成工艺，并基于该材料做出了高性能场效应晶体管。

团队在铜衬底上实现了连续单层晶体生长，搭起一套可用的材料平台，把原子尺度的材料设计与晶圆级制造连接起来，为可规模化的二维电子器件提供了一条学界长期寻找的技术路线。

现代计算架构的核心是互补电路，里面既有靠带负电电子导电的n型晶体管，也有靠带正电空穴导电的p型晶体管。近几年，n型输运性能优异的二维半导体进展很快，但能在 large 面积基底上均匀制备、性能又匹配的p型材料始终稀缺。这块短板卡住了低功耗二维互补集成电路的研制，大面积p型二维半导体的稳定合成，也就成了该领域绕不开的关键里程碑。

研究团队把突破点选在氮化硼上。这种原子级薄层材料由硼、氮原子交替排列成有序六方晶格，本身是电绝缘体。研究人员借用了传统硅半导体工艺中替位掺杂调控导电性的思路，在薄膜生长时直接把碳原子送进绝缘的六方晶格。光谱表征证实，这种定向的结构改造让绝缘晶格变成具备半导体特性的有源材料，带隙约1.90电子伏特。原子分辨显微镜的观测则显示，即使局部存在结构畸变，最终晶体的晶格仍保持连续；在观测区域内，碳原子或碳原子对优先占据晶格里的氮原子位点。

要在2英寸晶圆上长出连续的单层硼碳氮，铜表面外延合成中的化学供给是一道难题。过去的合成方案主要卡在：硼、碳、氮三种前驱物质没法同步送到生长反应界面，供给在时间和空间上对不上。团队为此选用了两种分子前驱体——单甲基氨硼烷与氨硼烷，通过调控二者的脱氢过程和表面反应路径，在整片衬底上让组分供给协同匹配，抑制了富碳团聚缺陷的生成，碳原子得以干净、有序地嵌入六方氮化硼晶格。

这项工作最核心的突破，是能在原子尺度调控材料组分，同时让大范围内的晶体结构保持连续。论文通讯作者、东京大学的Vincent Tung强调，精准控制碳原子嵌入基体晶格，使团队可以从原子底层入手调控材料的电学特性。他说，这套化学方案既能实现高效导电，又能维持器件稳定工作所需的晶体有序性；研究还证明，原子级结构工程与晶圆级合成可以同步推进，两者并非互相排斥的工艺目标。

为了严格检验新材料的电学品质、均匀性和制备重复性，研究人员从三批独立生长的薄膜中制作并测试了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，器件开关电流比约为10⁸。在整片2英寸晶圆表面以及不同制备批次之间，电学参数都呈稳定的统计分布，说明这套外延生长工艺的器件均匀性不错。

实验数据表明，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。不过团队也提醒，完整的互补集成电路尚未得到验证。除了适配平面电路架构，这种材料极薄的形态和稳定性，还为未来单片三维集成电路留出了潜在路径。后续研究重点包括：提高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能面向制造的半导体工艺流程。

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