一、 【科学背景】
二维半导体因原子级厚度被视为延续摩尔定律、构建三维单片集成互补场效应晶体管的关键沟道材料，但高性能p型二维半导体的发展长期受限：强烈的电子掺杂倾向、轨道局域化和严重空穴散射，导致可用p型材料种类少、稳定性差、输运性能弱，难以满足高能效三维互补器件的单片集成需求。石墨烯虽迁移率高但无带隙；多数过渡金属硫族化合物受界面缺陷影响呈n型或双极性，需依赖精细接触工程、介电限域生长或栅控超掺杂等手段才可实现p型输运；黑磷、碲、β-Bi₂O₃等非过渡金属硫族化合物虽具p型特性，但迁移率较n型材料低1–2个数量级，且工艺稳定性和可扩展性不足。硼碳氮(BCN)作为介于石墨烯与六方氮化硼之间的三元二维材料，理论上在B、C、N原子级均匀杂化时可实现p型输运与高迁移率，但碳易团聚形成类石墨烯畴，与规则取代在能量上竞争激烈，加之B、C、N原子供给的时空失配，严重阻碍了原子级均匀BCN晶格的可控制备。
鉴于此，日本东京大学童俊智教授、傅瑞汉助理教授与台湾中央研究院包淳伟研究员、台湾大学周苡嘉教授，以题为“Wafer-scale epitaxy growth of high-mobility p-type boron carbon nitride”发表在最新一期Nature上。提出用双前驱体反应路径工程解决了BCN制备中“碳易团聚、B/C/N供给时空失配”的难题。以MMAB作为碳源、AB作为BN源，在低压CVD中让AB优先脱氢形成表面B–N对，而MMAB经C–N断裂和*CH₃逐级脱氢“缓释”活性碳原子，从而降低表面瞬时自由碳浓度，抑制类石墨烯畴形成，使碳原子与BN单元在Cu(111)上同步共成核，最终实现晶圆级、单层、原子级分散的p型BCN外延生长。所得BCN带隙约1.90 eV，碳原子/二聚体主要取代BN晶格中的氮位；器件层面，晶圆级p型BCN FET阵列实现场效应空穴迁移率约100 cm² V⁻¹ s⁻¹、开电流>0.9 mA μm⁻¹、开关比10⁸、阈值电压−0.45 V，性能优于当前先进p型二维半导体。
二、【科学贡献】
图1 BCN的模拟与晶圆级合成。© 2026 Nature
图2 单层BCN薄膜的原子分辨高分辨扫描透射电子显微图像。© 2026 Nature
图3 BCN的多尺度表征。© 2026 Nature
图4 电子结构与带隙。© 2026 Nature
图5 20 nm HfO2上p沟道BCN场效应晶体管的电学表征。© 2026 Nature
三、【 创新点】
1．以前驱体反应路径工程为核心，结合第一性原理计算、势能面模拟与经典成核理论，通过调控脱氢与表面反应路径，实现活性碳原子“缓释”与BN单元同步供给，从源头解决碳易团聚、B/C/N供给时空失配的难题。
2. 揭示“动力学延迟”缓释机制与成核加速效应，MMAB中C–N键优先断裂、*CH₃逐级脱氢降低表面瞬时游离碳浓度，抑制类石墨烯畴相分离；AB引入提高前驱体化学势，使成核速率提升数个数量级。
3. 原子分辨表征、光谱分析、扫描隧道谱与密度泛函理论计算共同表明，占据N位的碳(CN构型)作为电子受主，使价带更靠近费米能级，是决定BCN p型行为的主导结构单元。
四、【 科学启迪】
本研究展示了基于BCN半导体、由前驱体工程CVD实现的高性能晶圆级p沟道FET阵列。通过从原子配位、键构型到纳米域结构的集成多尺度表征，建立了模拟、合成与器件优化之间的稳健反馈回路。224个晶体管的统计结果显示其性能分布窄且多数高于2031年国际器件与系统路线图的高性能指标，电学性能优于当前最先进的p型半导体（包括二维TMD、非TMD、氧化物和黑磷），同时具备内在稳定性、均匀性和工业兼容性。BCN可在三维图形化SiO₂绝缘衬底上选择性共形沉积，并与n型MoS₂在外延生长和可扩展性方面相兼容。值得注意的是，上述器件性能是在尚未进行系统接触优化的条件下获得的，未来通过接触工程和工艺改进仍有较大提升空间。该研究为二维互补电子学补齐了关键的p型材料拼图，有望推动全环绕栅极晶体管、垂直晶体管、叉片晶体管等复杂架构及三维单片集成的发展，预测BCN可成为完成p型材料版图的关键材料。
原文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-026-11047-9
