二维材料，登顶Nature！

长期以来，高性能 p 型半导体材料的缺乏一直是实现二维（2D）CMOS 技术的关键瓶颈之一。

二维材料普遍存在较强的电子掺杂倾向，同时受轨道局域化以及显著空穴散射效应的影响，使得稳定、高效 p 型二维半导体的开发长期面临巨大挑战。

为解决这一问题，来自日本东京大学&中国长庚大学的童俊智、日本东京大学的傅睿涵、中国台湾大学的周苡嘉以及中国台湾中央研究院的包淳伟等研究者报道了通过外延生长策略制备硼碳氮（boron carbon nitride，BCN）二维材料，并将其构筑为高性能 p 型半导体。相关论文以题为“Wafer-scale epitaxy growth of high-mobility p-type boron carbon nitride”于2026年09月30日发表在Nature上。

背景介绍

尽管近年来 n 型二维（2D）半导体取得了显著进展，但高性能 p 型二维半导体的发展仍然面临诸多挑战。

二维材料中普遍存在的强电子掺杂倾向、轨道局域化以及过强的空穴散射等问题，严重限制了 p 型二维材料的种类、稳定性及载流子输运性能，使其难以真正应用于低功耗三维（3D）互补场效应晶体管（complementary field-effect transistors，CFETs）的单片集成。

自 2004 年石墨烯被发现以来，人们一度期待二维材料能够引发电子器件领域的革命性突破。

然而，石墨烯本征上缺乏带隙，这一缺陷始终限制着其在数字逻辑电子学中的进一步应用。

由此，二维过渡金属硫族化合物（transition-metal dichalcogenides，TMDs）逐渐成为研究热点。TMD 材料具有可调控的电子结构，并为多种新型器件的开发提供了重要基础。

不过，大多数 TMD 材料由于受到界面电荷杂质以及结构缺陷的影响，通常表现为 n 型或双极性输运特征。

若要实现稳定的 p 型输运，往往需要对 TMD 与金属电极之间原子级薄的范德华（van der Waals，vdW）间隙进行精细界面工程，或利用介电区域中的几何限域调控，甚至通过栅极驱动的 III 型能带调控实现高浓度掺杂（hyperdoping），这显著提高了器件设计与制造的复杂程度。

与此同时，在元素周期表的另一侧，一些非 TMD 类 p 型二维半导体也受到广泛关注，包括单元素材料黑磷（black phosphorus）、三元化合物石墨烯杂化氮化硼、硫族元素材料 Te，以及氧化物体系，如 β-Bi₂O₃ 和 Se 合金化 TeO₂ 等。

然而，这些材料的载流子迁移率往往比典型 n 型二维半导体低 1–2 个数量级，同时还存在稳定性不足以及在加工与实际工作条件下难以规模化制备等问题。

总体而言，目前 n 型与 p 型二维半导体在输运性能、材料均一性、可规模化制备能力、环境与工作稳定性以及工业工艺兼容性等方面仍存在明显差距，这从根本上限制了二维材料作为高性能 p 型沟道材料在集成电子器件中的应用潜力。

主要创新

在本文中，研究者提出了一种晶圆级外延生长策略，用于制备具有高载流子迁移率和工业工艺兼容性的单原子层厚度 p 型半导体硼碳氮（boron carbon nitride，BCN）。

作为一种三元二维材料，BCN 可以视为六方氮化硼（hexagonal boron nitride，hBN）和石墨烯材料家族的重要扩展，其电子性质在一定程度上融合了两类材料的优势。

石墨烯是一种具有极高载流子迁移率的半金属材料，而 hBN 则是一种带隙高达 5.9 eV 的宽带隙绝缘体。理论研究长期以来预测，如果能够在原子尺度上实现 B、N 和 C 三种元素的可控杂化，BCN 有望同时表现出 p 型输运、高载流子迁移率以及具有方向依赖性的热管理特性。

然而，BCN 可控制备的核心难点在于：在 hBN 晶格内部，极易形成无序且难以控制的类石墨烯富碳结构域，例如由 C 单体、二聚体或三聚体组成的局部富碳结构。

这些类石墨烯区域的形成会与理想的杂原子取代过程发生竞争，而且两种反应路径在能量尺度上十分接近，因此极难实现选择性控制。

其根本原因在于，在形成 C–B 或 C–N 键之前，首先必须完成三键或双键的转化，或者实现 C–H 键断裂，而这些过程通常具有较高的活化能。

此外，B、C 和 N 原子在生长过程中的空间和时间输运不同步，也会进一步阻碍以杂原子取代方式形成均匀 BCN 晶格。

针对上述问题，研究团队通过设计双前驱体体系，对脱氢过程及表面反应路径进行了精确调控。

其中，采用含碳的单分子前驱体单甲基氨硼烷（monomethyl ammonia borane，MMAB）作为 C 源，同时使用氨硼烷（ammonia borane，AB）作为 BN 供给源。

研究者提出，实现 BN 片段和含 C 片段在衬底表面的同步输运与供给，是获得原子级取代 BCN 结构并抑制相分离类石墨烯区域形成的关键。

在此基础上，研究人员进一步利用二维势能面（two-dimensional potential energy surface，2D PES）模拟对关键反应坐标进行系统映射，从而识别各反应步骤中的能垒、选择性窗口以及反应路径分岔点，并据此解析衬底表面不同转化过程的动力学和热力学特征。

该理论分析指导了含碳片段的逐步脱氢过程，并使其能够随后与 BN 单元发生受控偶联。最终，研究人员利用定制化的低压化学气相沉积（low-pressure chemical vapour deposition，LPCVD）工艺，实现了上述反应路径的精准调控。

最终获得的材料为单层二维 BCN（除特别说明外均为单层结构），其中 C 原子以原子级取代方式嵌入连续结晶但局部发生晶格畸变的 BN 晶格之中。

通过多尺度结构与性能表征，研究团队进一步建立了明确的“结构—性质—性能”关系，将原子尺度的成键结构与晶圆级场效应晶体管（FET）阵列的器件性能联系起来。

由该 BCN 材料构筑的 p 型 FET 表现出优异的电学性能，其有效场效应迁移率µeff 约为 100 cm² V⁻¹ s⁻¹，导通电流Ion 约为 0.9 mA µm⁻¹，阈值电压 Vth 约为 −0.45 V，开关电流比Ion/Ioff 约为 10⁸。

这些指标共同表明，BCN 已具备作为高性能 p 型二维沟道材料的突出潜力。

此外，研究团队还进一步证明，单层二维 BCN 可以在具有三维图案化结构的 SiO₂/Si 衬底上实现均匀生长。

这一结果表明，该材料不仅具备优异的本征电学性能，而且具有较好的复杂衬底适应能力和工艺兼容性，为未来将二维 p 型半导体集成到复杂器件架构以及三维单片互补电子系统中奠定了重要基础。

图1 BCN 的理论模拟与晶圆级合成

图2 单层 BCN 薄膜的原子分辨高分辨扫描透射电子显微镜（HR-STEM）表征。

图3 BCN 的多尺度结构与性质表征。

图4 BCN 的电子结构与带隙特性。

图5 基于 20 nm HfO₂ 栅介质的 p 沟道 BCN 场效应晶体管（FET）电学性能表征。

主要结论

综上，本研究基于前驱体工程调控的化学气相沉积（CVD）合成策略，成功构筑了高性能、晶圆级的 BCN p 沟道场效应晶体管（FET）阵列。通过整合多尺度表征手段，从原子尺度的配位环境与成键构型，到纳米尺度的局域结构域特征，研究团队建立了一个由理论模拟—材料合成—器件优化相互反馈、协同迭代的研究框架，从而实现了对 BCN 生长机制、微观结构及器件性能之间关系的系统调控。

所制备的 BCN 器件展现出优异的电学性能，其综合表现优于当前具有代表性的先进 p 型半导体材料，包括二维过渡金属硫族化合物（TMDs）、非 TMD 二维材料、氧化物半导体以及黑磷等体系。

同时，BCN 还兼具本征稳定性、良好的晶圆级均一性以及工业工艺兼容性，显示出其在大规模集成电子器件中的突出应用潜力。

因此，作者认为，BCN 有望成为完善二维半导体体系中 p 型材料版图的关键候选材料，并为未来高性能、低功耗互补电子器件及三维单片集成技术的发展提供重要的材料基础。

参考文献

Tseng, CC., Huang, CH., Kao, JC. et al. Wafer-scale epitaxy growth of high-mobility p-type boron carbon nitride. Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-11047-9

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-11047-9

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