发光学报·特邀综述 | 中国科学院半导体所魏同波团队：六方氮化硼的外延生长与器件应用

h-BN作为一种新兴的二维材料，其卓越的性能源于类石墨烯的层状结构，在众多应用中展现出了不可替代的优势。h-BN具有优异的电绝缘性能，其原子级平整的表面可以有效抑制界面电荷散射，能够有效降低漏电流，从而提高器件的稳定性和效率。此外，h-BN的高热导率使其在热管理方面成为理想材料，尤其是对于功率电子器件及其在高温环境下的应用，能够辅助散热并提升器件性能。在高温、高压的条件下，h-BN因其惰性依然能够保持良好的性能，拓展了其在极端条件下的应用潜力，h-BN宽带隙及良好的光学透明性使其在光电器件中也具有广泛的应用前景。总之，h-BN因其独特的性质和多样化的应用潜力，正逐渐成为现代材料科学研究的热点之一，未来随着合成技术和工程应用的不断进步，h-BN的应用范围将会进一步扩大，为后摩尔时代的技术变革注入新的活力。

h-BN由B原子和N原子排列成sp²杂化的蜂窝状层状结构，属于P63/mmc空间群，原子层之间通过范德华相互作用保持在一起，结构类似石墨，因此也被称为“白石墨烯”。h-BN原子之间的强键合使其表现出优异的机械稳定性和热稳定性，约6 eV的宽带隙可用于各种基于紫外的纳米光电子学应用。作为一种介电材料，2D h-BN也具有优异的抗氧化性，即使在高温下也具有稳定的介电特性。硼和氮的空位或杂质等缺陷相互结合，可以创建稳定的中隙态，从而可在可见光至紫外较宽波段范围内产生高效的单光子发射。其含有的¹⁰B同位素具有高的中子吸收截面，能够通过核反应直接探测中子，h-BN也成为一种理想的中子探测材料。

（1）剥离

早期的机械剥离h-BN的工作为研究原子排列、结构缺陷和缺陷动力学提供了手段，后期出现的中间辅助研磨剥离、溶剂辅助超声处理、双极电化学剥离等新型剥离技术，为扩大产量提供了可能性。然而，这种“自上而下”生长方法在样品质量、控制层厚度和单晶域面积大小方面受到限制。

（2）化学气相沉积

化学气相沉积（CVD）是制备高质量h-BN的核心技术，通过在高温下将含硼和氮的前驱体气体分解并在衬底表面反应，实现大面积、层数可控、晶格取向一致的h-BN薄膜生长。过渡金属衬底（如Cu、Ni、Pt、Au）的表面催化作用可降低成核势垒，促进单层至多层h-BN的均匀外延。在蓝宝石等非催化衬底上，使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）制备h-BN薄膜时，通过引入AlN缓冲层、调控V/III比、采用脉冲流调制（FM）或两步生长法，能够有效缓解晶格失配与热应力，提升晶体质量与表面平整度。此外，CVD还支撑了准同质外延、低维异质集成等新型结构，为h-BN在深紫外光电器件、栅介质、量子光源等领域的规模化应用奠定基础。

（3）物理气相沉积与分子束外延

物理气相沉积（PVD）是通过物理手段将固态或液态材料转化为气态原子、分子或部分电离的离子，这些气态物质被传输到一个衬底表面，凝结并重新结合形成一层薄膜的技术。使用离子束溅射沉积（IBSD）可以更好地控制沉积速率，通过减少生长参数降低制造复杂性，可以实现h-BN厚度的可调性。分子束外延（MBE）能够以精确的通量和生长速率生长材料，避免了前驱体蒸发的不稳定性并减少h-BN生长中的寄生反应。

(1)转移介质

在柔性电子和光电子领域，特别是在柔性可穿戴显示器、传感器和生物医学设备等方面的快速发展下，III氮化物器件与柔性衬底的结合备受关注。h-BN能够在GaN、AlN等Ⅲ族氮化物外延生长后利用其层间弱范德华力实现晶圆级机械剥离与柔性转移，显著降低剥离应力与界面损伤，提升LED发光强度与散热性能，并兼容Cu电镀等工艺，实现大面积垂直结构器件的自支撑剥离和衬底循环使用，为柔性深紫外光源、薄膜晶体管及异质集成提供高可靠、低成本的转移平台。

（2）FET栅介质

h-BN凭借原子级平整、无悬挂键、高介电强度及优异热稳定性，在FET中替代传统氧化物栅介质，通过干法转移至Te纳米线表面，形成理想悬空无键界面，屏蔽带电杂质与声子散射，使纳米线FET空穴迁移率提高至570 cm²V^-1 s^-1（低温1390），并用于构筑无半导体垂直隧穿FET及浮栅存储器，实现10⁶开关比、亚纳秒超快编程/擦除速度和长时间电荷保持，同时利用h-BN栅介质层调控肖特基势垒降低接触电阻，为柔性电子和三维集成提供关键介电解决方案。

(3) DUV光电器件

h-BN凭借约6 eV的禁带宽度、高激子结合能与短辐射寿命，在DUV发光器件中通过Al₂O₃/h-BN多异质结或石墨烯/h-BN/石墨烯垂直结构实现紫外电致发光，实现室温稳定发射，为替代低效率AlGaN基DUV LED提供新平台。同时利用其陡峭带边吸收及低暗态缺陷，构筑金属-半导体-金属日盲探测器，经表面氮化、S掺杂、C掺杂、金纳米颗粒等离子体耦合及后退火等工艺优化，器件性能大幅提升，实现高灵敏度、高抑制比、快速稳定的深紫外探测，从而将h-BN的宽带隙发光与吸收优势同步拓展至高效DUV光源与阵列探测领域。

图6：(a) 10 K下的ZnO、h-BN和金刚石的CL光谱（上）和发光效率（下）；(b) 器件在10 K下的EL光谱（上）和PL光谱（下）；(c) 光电探测器的开/关比和探测率的统计数据（上）与归一化高分辨率光响应度（下）；(d) 光电探测器对外加电压的光电流和暗电流；(e) h-BN和S 掺杂h-BN光电探测器的光电流和光响应度；(f) 探测器的光响应度与入射波长的函数关系