Nature上演神仙掐架，原文作者刚正面

2月3日，Nature期刊发布了韩国科研人员面对质疑，勇于刚正面的报道，着实上演了一波神仙掐架的年初大戏。接下来我们一起看看神仙怎么掐架的。

2020年6月24日，Nature报道了韩国蔚山科学技术院Hyeon Suk Shin、三星先进技术研究院Hyeon-Jin Shin和英国剑桥大学Manish Chhowalla等人在低K（<2）材料领域取得的重要突破。

他们通过低温远程电感耦合等离子体-化学气相沉积（ICP-CVD）法在硅基底上制备出具有超低介电常数的无定形氮化硼薄层（a-BN）。3nm 的a-BN薄层在100 kHz和1MHz分别实现了介电常数低至1.78和1.16，并表现出强的机械性能、高压稳定性，击穿强度达到7.3 MV/cm，可以用作互连隔离材料以最大程度地减少电干扰。该低K a-BN的性能远超应用要求，可用于高性能的CMOS。

2020年7月26日，浙江大学李雷和陈湘明对此突破性成果向Nature提交了他们的质疑，认为Shin等人低估了a-BN薄膜的介电常数，需要澄清介电物理和介电表征技术方面的几个问题。

Q1. 原文报道的介电常数数值与介电物理学的基本原理相冲突

李雷等表示，根据材料介电常数的极化机制，所有介电材料在远低于10¹³ Hz的频率下，其介电常数k值要高于可见光频率（400–760 nm或3.94×10¹⁴–7.49×10¹⁴ Hz）下的介电常数。而Shin等报道的h-BN在10 kHz~4 MHz和a-BN在100 kHz~4 MHz时的介电常数远低于633 nm（4.74×10¹⁴ Hz）时的κ值（见下表1），这与介电物理学的基本原理相冲突。

此外，当频率超过1 MHz时，Shin等报道的a-BN薄膜的k值减小到小于1的值，并且在4 MHz时仅约为0.4。这也是基本原理不一致，因为电介质中的微观极化总是增加介电常数，并且电介质的κ 值应始终高于真空的κ值（κ = 1）。

Q2. Shin等低估了a-BN薄膜在10 kHz–4 MHz时的介电常数。

影响k值测量结果的因素有很多，如界面、厚度误差以及半导体Si底电极可能产生的电容，而最后一点是最关键的。李雷等认为测试使用的重掺杂n⁺⁺ Si衬底的电阻率比常见的金属电极材料高三个数量级，因此n⁺⁺ Si衬底通常是半导体，似乎起一种有损耗的电介质作用，而不是起电阻率低得多的金属电极作用半导体。因此，由于Si衬底的贡献，所测量的电容要小于BN膜的实际电容，导致a-BN薄膜在10 kHz–4 MHz频率下的介电常数被低估了。此外h-BN和a-BN薄膜的κ值在10 kHz–4 MHz频率范围内随频率显著降低，这与强介电弛豫相对应。这表明，作为底部电极的半导体Si衬底有助于形成Cu/BN/Si结构的总电容，从而带来有关超薄a-BN膜介电特性精确度的不确定性。

综上所述，李雷等人建议：原作者需要仔细确认并澄清实验数据与上述讨论的介电物理学原理之间的冲突；为了精确地确定半导体Si衬底上a-BN薄膜的介电常数并排除Si的电容效应的影响，需要重新考虑介电特性技术。同时他们也指出，尽管在薄膜的电介质测量中经常使用重掺杂的硅和其他半导体作为底部电极，但这种半导体电极的电容效应对测量可靠性的影响尚未引起应有的关注。尽管区分半导体衬底的导电和极化作用这个问题很复杂，但在半导体和电介质领域，这是一个至关重要的问题，也是整个领域普遍存在的问题。

2021年2月3日，shin等原作者在Nature上使用了原始数据和新证据发文回应李雷等人的质疑：你们的观点是错误的！

A1.质疑Q1中的主张不适用于金刚石、PTFE和a-BN等某些非极性材料。

shin等表示，在他们的原始论文中，理论和光谱测量结果表明，a-BN中的随机原子结构使其变为非极性。因此，他们的测试结果不适于李雷等人主张的“椭圆偏振法在4.74×10¹⁴ Hz（波长= 633 nm）下测得的介电常数应小于在较低频率下使用金属/绝缘体/金属（MIM）电气测量所测得的介电常数”（shin等认为该主张只适用于极性材料）。因此， MIM和椭偏测量中，a-BN的κ值必不相同。

A2. 使用退化掺杂的n⁺⁺Si（<0.005Ωcm）作为衬底，而不是半导体Si。

重掺杂的p⁺⁺或n⁺⁺ Si通常用于低κ电介质材料的研究，因为它具有与金属相媲美的电导率(大约10-3 Ωcm)，因此起着金属电极的作用，而不是泄漏的电介质。

为了进一步验证提取a-BN κ值的MIM设备测量的完整性，shin等提供了耗散因子(DF)的测量。DF值取决于材料，并随频率而变化。DF值<0.1是获取可靠κ值的基本要求。

下图显示了众多a-BN MIM器件中DF值随频率的变化。可以看出，DF在10 kHz到1 MHz之间保持在<0.1，超过这一范围DF急剧增加。因此，DF分析表明，a-BN在10 kHz和1 MHz之间作为一个接近理想的电容器，在10 kHz和1 MHz的频率上，可能会出现非常小的损耗贡献，其中DF-尽管仍然小于0.1但接近0.1。因此该MIM器件测量是可靠的，并与椭偏测量结果一致。

图 | 损耗因子与测量频率的关系

另外，shin等表示，在原始论文中，他们已经明确任何低于1.0的k值只是人造产物，这是由于远大于0.1的DF值造成的，因此不具有物理意义。

最后，shin等表示李雷等“在超薄的a-BN中某种程度上‘揭示’了未指明的‘隐藏’‘电容效应’”的推测没有提供细节；并表示，他们从DF和光谱深度剖面分析上提供了具体的实验证据。他们通过椭偏仪得到的κ值是报道中最低的。简并掺杂n⁺⁺硅作为衬底的电导率，与金属的电导率相似，并且其表面是原子光滑的，是低κ测量的理想衬底。

文献信息

Hong, S., Lee, CS., Lee, MH. et al. Ultralow-dielectric-constant amorphous boron nitride. Nature 582, 511–514 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2375-9

李雷等人质疑链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-03162-y

原作者回应链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03163-x

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/24/3a872f53f1/

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