Nature：氮化硼无定形化展现更好的电学性能

原创纳米人纳米人

第一作者：Seokmo Hong

通讯作者：Manish Chhowalla（剑桥大学）、Hyeon-Jin Shin（三星高级技术研究所）、Hyeon Suk Shin（国立蔚山科学技术院）

通讯单位：剑桥大学、三星高级技术研究所、国立蔚山科学技术院

研究亮点：

1. 通过控制实验条件，得到了无定形状态的BN材料。

2. 这种无定形BN具有较好的热稳定性、机械稳定性，并且介电系数较低，符合将来对高性能半导体器件的要求。

研究背景

在电子学器件的发展过程中，电阻的增加和电容延迟是缩减电子学器件尺寸过程中降低电子学器件工作速度的主要原因。缩减连接处金属线连接的尺寸是降低器件尺寸的关键。相互连接的材料需要较低的介电常数用于阻碍金属向半导体中扩散的能垒，并且需要其具有热稳定性、化学稳定性、机械稳定性。the International Roadmap for Devices and Systems建议，到2028年材料的介电常数值需要低于2。目前有些材料的介电常数的数值能达到低于2，但是热稳定性、机械稳定性较低。

拟解决或者拟探索的关键问题

制备能应用于下一代电子学器件中的低介电常数、高稳定半导体材料。

成果简介

有鉴于此，剑桥大学Manish Chhowalla、三星高级技术研究所Hyeon-Jin Shin、国立蔚山科学技术院Hyeon Suk Shin等报道了具有超低介电常数的无定形氮化硼材料。通过控制反应条件，合成了3 nm厚的无定形BN，其介电常数在100 kHz和1MHz中分别低至1.78和1.16，击穿强度达到7.3 MV/cm。

要点1：制备方法

材料生长方法。通过低温远程电感耦合等离子体-化学气相沉积（ICP-CVD）方法在Si基底上进行生长，通过调节温度和plasma功率进行反应参数的优化，结果显示当在400 ℃和30 W plasma中进行生长，能获得介电常数较低的无定形BN材料。在高于该温度时，获得的BN为纳米晶体结构的BN。

图1. 无定形BN样品材料合成平台（UNIST, SAIT, University of Cambridge, Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology）。

图2. BN样品的扫描/透射表征。

要点2：结构表征

相关表征。通过透射电子显微镜方法未发现材料中长程有序，因此作者认为该材料为无定形状态。作者通过XPS表征发现B 1s和N 1s的原子比为1:1.08。通过角分辨近边X射线吸收精细结构NEXAFS测试了无定形BN材料，对1 s核层轨道中电子激发到空π*或σ*轨道的过程中情况进行测试，验证了该材料呈无定形状态。

图3. BN样品的谱学表征。

要点3：介电性能

介电性能相关测试。通过对metal/BN/n-Si结构的器件进行电流密度-电压（J-V）、电容-频率（C-f）测试，考察了介电常数和击穿电压。通过在Si基底上沉积3 nm厚的无定形BN和TiN，并随后通过80 nm厚的Co进行包覆，通过在真空氛围中加热，考察了器件中的扩散现象。结果显示在苛刻的环境中BN层阻碍了Co金属向Si中的扩散作用，证明无定形BN具有优异的性能。作者对比了无定形BN和六方相BN。

图4. 无定形BN介电性能。

表1. 无定形/六方相BN性能比较

小结

这项研究结果表明无定形氮化硼具有超低介电常数。

参考文献

Seokmo Hong, et al. Ultralow-dielectric-constant amorphous boron nitride, Nature 2020, 582, 511-514

DOI：10.1038/s41586-020-2375-9

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2375-9

作者简介

Manish Chhowalla，剑桥大学材料科学与冶金系教授，研究领域涵盖了半导体器件中关键的导电连接材料，二维材料在CO₂，N₂还原催化反应中的应用，微型电化学系统（用于催化、储能）、二维材料/复合氧化物界面等。

主页：https://www.chhowalla.msm.cam.ac.uk/

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