近日，国际权威学术期刊《Nature Nanotechnology》在线发表了由北京大学、中国科学院物理研究所、松山湖材料实验室、中国科学院东莞材料科学与技术研究所等单位合作完成的最新研究成果。研究团队提出了一种台阶模板界面外延策略，实现了4英寸单晶菱方氮化硼（rBN）晶圆的可重复批量制备，并构建了高性能滑移铁电场效应晶体管（FeFET）及其晶圆级阵列。器件展现出纳秒级极化翻转，超过2×109次的抗疲劳特性，和外推长达10年的非易失存储能力；即使在30 nm的超短沟道下，器件仍可保持4 V的大存储窗口和超过470 K的优异热稳定性，综合性能优于已报道的二维铁电晶体管。相关成果以“Single-crystal rhombohedral boron nitride wafers for integrated sliding ferroelectric memory”为题发表。
传统铁电材料通常依靠晶格内部离子的微小位移改变极化方向，而二维滑移铁电材料则通过相邻原子层之间的相对滑动实现极化翻转。这种机制不仅能够在纳米尺度保持稳定，还兼具超快的翻转动力学与极低的功耗；加之表面无悬挂键，天然适配片上集成工艺，被认为是高密度非易失存储的理想候选材料。其中，具有平行ABC堆垛结构的菱方氮化硼不仅具备优异的极化翻转性能，还兼具宽带隙（约6 eV）、高击穿场强（10–20 MV/cm）、高面内热导率（约350 W m-1 K-1）以及1100°C空气稳定的极端材料稳定性。然而，面向芯片级集成存储应用，rBN晶圆的批量制备长期面临三大挑战：首先，菱方相在热力学上不占优势，形成能比稳定的六方相（hBN）高约2 meV/原子；其次，晶圆级均匀性与批次一致性要求对生长条件的严苛控制，极难保证；最后，rBN铁电器件大规模集成的可行性与极限性能尚未得到验证。因此，此前rBN的滑移铁电性长期停留在原理验证层面。如何从实验室小尺寸样品走向高质量、大面积、可重复制备的单晶晶圆，一直是rBN滑移铁电存储走向集成应用的关键障碍。
针对上述挑战，研究团队提出了台阶模板界面外延策略。该策略以经高温退火处理的m面蓝宝石为模板，利用其表面平行高台阶结构，通过磁控溅射Ni–B合金薄膜实现台阶的共形复制；BN层的氮终止特定边缘倾向于依附金属表面的固态台阶，从而保证晶畴的单向生长；同时，硼源由Ni–B薄膜在界面处持续供给，使每一新生层都在台阶引导下保持一致的取向与平行堆垛秩序，确保全晶圆范围内统一的菱方相结构。生长后的rBN薄膜可批量转移至其他衬底，而蓝宝石台阶模板可循环复用于下一批次生长，实现了4英寸rBN单晶晶圆的批量生产，晶圆厚度可达45 nm。
图1. 台阶模板界面外延批量制备4英寸单晶rBN晶圆
低能电子衍射、X射线衍射φ扫描与二次谐波等多尺度结构表征证实，所制备的rBN晶圆具有高相纯度。晶圆还展现出卓越的晶体质量：激光损伤阈值高达490 GW/cm2，击穿场强达10 MV/cm，面内热导率达320 W m-1 K-1。研究团队进一步通过原子尺度表征明确了rBN晶圆的层间堆垛秩序：选区电子衍射与高分辨透射电镜证实了典型的菱方堆垛特征，截面扫描透射电镜直接捕捉到相邻层的单向滑移排列；倾斜入射SHG测量则揭示rBN薄膜同时存在面内与面外极化，且面外极化在大尺度范围内高度一致，为滑移铁电性奠定了结构基础。
图2. rBN晶圆的原子尺度结构与大尺度极化表征
在铁电性能方面，金属–铁电–金属电容的电滞回线、压电力显微镜的蝶形回线与相位回线，以及极化翻转区域的截面电镜观察，共同证实了rBN层通过ABC↔CBA堆垛转变实现本征滑移铁电开关。研究团队以rBN为介电层、单层石墨烯为沟道构建FeFET器件，系统评估了其器件级铁电性能：极化翻转所需最小脉冲宽度进入纳秒量级，达到测试系统的探测极限；同一器件经超过2×109次双极性脉冲循环后开关性能几乎不变，保持特性外推可达10年。与传统铁电介质相比，rBN在开关速度、耐久性、保持能力、击穿场强和热导率等维度展现出综合优势。
图3. rBN层的滑移铁电性能及其与传统铁电介质的综合对比
为验证工业化兼容潜力，研究团队基于rBN晶圆构建了大规模金属–铁电–金属–绝缘体–半导体（MFMIS）结构FeFET阵列。器件以rBN薄膜为铁电层、单层MoS2为沟道，并引入Pd中间金属层以及HfO2阻挡层，以改善极化翻转和界面电荷行为。测试结果显示，器件呈现与铁电极化相对应的逆时针滞回，最高开关比达106，统计平均开关比约3×105、平均存储窗口2.5 V。面向先进制程节点，团队进一步将沟道长微缩至30 nm。即使在这一尺度，器件仍保持明显的铁电滞回，室温存储窗口最高约4 V，开关比约104；原位变温测试表明，铁电特性在高达473 K时依然稳健（存储窗口4 V、开关比约103），远超358 K的芯片散热极限；经105次极化翻转循环后性能无明显衰退，保持特性外推10年开关比仍可维持在103以上。这些结果表明，rBN/MoS2 FeFET在热稳定性与高密度集成方面具有极大的潜力。
图4. 晶圆级rBN/MoS2铁电晶体管阵列的晶圆级铁电性能
总结而言，本研究面向大数据时代高密度信息存储的典型应用场景，建立了rBN晶圆批量制备的可靠方法学，系统验证了其超快、耐疲劳的滑移铁电特性与超短沟道、高耐热的集成器件性能，确立了rBN作为下一代滑移铁电存储器的可规模化制备关键材料地位，为其在高密度存储芯片与人工智能加速器、存内计算等电子信息领域的应用铺平了道路。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41565-026-02280-4
来源：电子信息材料与器件研究部
附件下载：