近日，北京大学、中科院物理所、松山湖材料实验室等单位联合团队的研究成果在线发表于《自然 - 纳米技术》。团队创新台阶模板界面外延策略，完成 4 英寸单晶菱方氮化硼（rBN）晶圆可重复批量制备，并搭建晶圆级滑移铁电晶体管阵列，器件综合性能超越现有二维铁电晶体管，为下一代存内计算、AI 高密度存储打开新空间，也为国产精密仪器带来全新市场机遇。
传统铁电材料依靠晶格离子位移实现极化翻转，而菱方氮化硼作为二维滑移铁电材料，依靠原子层相对滑动完成极化切换，兼具宽带隙、高击穿场强、高热导率、高温稳定等多重优势，是下一代存储芯片极具潜力的核心材料。长期以来，rBN 产业化存在三大瓶颈：菱方相热力学稳定性弱、晶圆级均匀性难以把控、大规模器件集成性能缺少验证，滑移铁电效应此前仅停留在实验室原理验证阶段。
针对上述难题，科研团队开发台阶模板界面外延工艺。以高温退火 m 面蓝宝石作为台阶模板，通过磁控溅射沉积 Ni-B 合金薄膜，依托台阶结构引导 BN 晶畴单向有序生长，得到高相纯度 4 英寸 rBN 晶圆，厚度可达 45 纳米，蓝宝石模板还可循环复用，实现批次化生产。
整套研究从样品制备、微观表征到器件可靠性测试，高度依赖精密科研仪器。制备环节用到磁控溅射系统、高温退火炉、晶圆转移设备；结构表征环节，低能电子衍射、X 射线衍射、二次谐波显微镜、透射电镜、压电力显微镜等设备，完成晶圆相纯度、原子堆垛结构、大尺度极化特征检测；器件性能评估则依靠半导体参数分析仪、纳秒脉冲测试系统、原位变温探针台，完成数十亿次循环耐久、高温稳定性、存储窗口等关键指标测试。
本次成果验证了 rBN 晶圆工业化集成潜力。基于 rBN 构建的滑移铁电晶体管，实现纳秒级极化翻转，抗疲劳循环超 2×10⁹次，数据保持外推可达 10 年。即使沟道缩小至 30 纳米，器件依旧保持稳定存储特性，473K 高温环境下铁电性能不衰减，远超常规芯片散热极限。晶圆级 rBN/MoS₂晶体管阵列也成功制备，验证了大规模制造可行性。
随着二维铁电存储从实验室走向产业化落地，相关工艺与测试设备需求将持续释放。二维材料外延设备、晶圆微观表征设备、高速半导体器件测试平台，是这条赛道的刚需装备。当前国内科研平台、新材料企业对这类仪器采购需求上升，国产磁控溅射、电镜系统、半导体测试仪器厂商，迎来切入二维先进材料赛道的窗口期。
从材料原理验证走向晶圆批量制备，意味着测试标准、工艺参数体系将逐步建立，也会催生更多定制化测试需求。纳秒高速脉冲测试、高温原位铁电表征、晶圆大面均匀性检测等场景，对仪器噪声控制、测试精度提出更高要求，正是国产仪器实现技术迭代、进口替代的重要方向。
业内表示，rBN 滑移铁电材料产业化进程开启，不仅有望革新高密度存储与存内计算芯片，也将带动半导体精密制备与表征仪器市场扩容，国产仪器企业可提前布局工艺配套方案，抢占二维先进材料装备新赛道。
