納米片，讓芯片再小一點

在數(shù)字時代，芯片作為現(xiàn)代科技的核心，其性能提升始終與晶體管的微型化進程緊密相連。從早期的微米級到如今的納米級，晶體管尺寸的持續(xù)縮小推動了計算能力的指數(shù)級增長，支撐起智能終端、航天設(shè)備、人工智能等諸多領(lǐng)域的飛速發(fā)展。然而，當(dāng)晶體管尺寸逼近物理極限，傳統(tǒng)硅基材料的性能瓶頸日益凸顯，如何突破這一限制，開發(fā)出更小、更快、更節(jié)能的器件，成為全球半導(dǎo)體行業(yè)亟待解決的關(guān)鍵課題。

近日，一項由印度理工學(xué)院甘地訥格爾分校（IIT-Gn）與美國賓夕法尼亞州立大學(xué)聯(lián)合完成的研究，為這一難題帶來了新的曙光。研究團隊聚焦二維材料領(lǐng)域，成功將二硼化鈦轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的納米片，并證實其可作為原子級薄晶體管的柵極絕緣體，為未來半導(dǎo)體器件的微型化和性能躍升奠定了重要基礎(chǔ)。相關(guān)成果以《由二硼化鈦衍生的納米片作為原子級薄晶體管的柵極絕緣體》為題，發(fā)表在國際頂級期刊《ACS Nano》上，引發(fā)業(yè)界廣泛關(guān)注。

柵極絕緣體：晶體管性能的「隱形調(diào)節(jié)器」

在半導(dǎo)體器件中，晶體管的核心功能是通過控制電流流動實現(xiàn)信號的開關(guān)與放大，而柵極絕緣體則是這一過程的「關(guān)鍵調(diào)節(jié)器」。它位于晶體管的柵極與導(dǎo)電通道之間，通過施加電壓控制通道的導(dǎo)通與截止，直接影響器件的開關(guān)速度、能耗及可靠性。

隨著晶體管尺寸不斷縮小至納米級別，柵極絕緣體的性能面臨嚴峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)材料如二氧化硅，在厚度降至一定程度時會出現(xiàn)嚴重的漏電現(xiàn)象，導(dǎo)致能量損耗增加、器件穩(wěn)定性下降。因此，尋找兼具超薄物理厚度與優(yōu)異介電性能的新型材料，成為突破晶體管微型化瓶頸的核心任務(wù)。

印度理工學(xué)院甘地訥格爾分校的 Kabeer Jasuja 教授指出：「二維半導(dǎo)體是解決這一問題的重要方向，其原子級的厚度為器件微型化提供了天然優(yōu)勢。但這也對柵極絕緣體提出了更高要求——它需要足夠薄以匹配二維材料的尺度，同時又要具備足夠的物理厚度來有效調(diào)控電流、抑制泄漏，這種『薄與效』的平衡是研發(fā)的難點。」

此前，科研界曾嘗試使用氧化鉿、氮化硼等材料作為二維晶體管的柵極絕緣體，但效果參差不齊。部分材料雖介電性能優(yōu)異，卻難以通過低成本工藝實現(xiàn)大面積制備；另一些材料雖易于加工，卻存在缺陷密度高、穩(wěn)定性不足等問題。而二硼化鈦納米片的發(fā)現(xiàn)，為解決這些矛盾提供了新的可能。

從二硼化鈦到功能納米片：室溫工藝的創(chuàng)新突破

二硼化鈦（TiB?）是一種已知的過渡金屬硼化物，具有高硬度、高熔點和優(yōu)異的導(dǎo)電性，常用于耐磨涂層、電極材料等領(lǐng)域。但將其轉(zhuǎn)化為適用于半導(dǎo)體器件的柵極絕緣體，需要突破材料形態(tài)與性能的雙重轉(zhuǎn)變。

研究團隊開發(fā)了一種創(chuàng)新的室溫處理工藝，通過化學(xué)剝離將塊狀二硼化鈦轉(zhuǎn)化為原子級薄的納米片，并進一步對其進行表面修飾，使其形成穩(wěn)定的 AIB?型二硼化物結(jié)構(gòu)。這一過程無需高溫高壓條件，不僅降低了制備成本，還能有效避免材料在加工過程中因高溫產(chǎn)生的缺陷。

「我們驚喜地發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過處理的二硼化鈦納米片展現(xiàn)出卓越的介電性能。」Jasuja 教授介紹道，「其介電常數(shù)（衡量材料儲存電荷能力的關(guān)鍵指標）顯著高于傳統(tǒng)二氧化硅，且缺陷密度極低，能夠有效抑制漏電現(xiàn)象。更重要的是，這種納米片的厚度可精確控制在幾個原子層級別，完美匹配二維半導(dǎo)體的尺度需求。」

據(jù)研究團隊透露，這是全球首次證實二硼化鈦衍生納米片可作為高性能柵極絕緣體。實驗數(shù)據(jù)顯示，基于該材料的晶體管開關(guān)比（衡量器件性能的核心參數(shù)）達到了 10?以上，接近理想器件水平，且在連續(xù)工作數(shù)千次后仍保持穩(wěn)定，展現(xiàn)出良好的可靠性。

跨界合作與未來潛力：從實驗室到產(chǎn)業(yè)的可能

這項突破性研究的背后，是印度理工學(xué)院甘地訥格爾分校與美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的深度協(xié)作。印度團隊主導(dǎo)材料的合成與表征，利用其在二維材料化學(xué)領(lǐng)域的積累，開發(fā)出高效的室溫制備工藝；美國團隊則專注于器件設(shè)計與電氣性能測試，憑借在半導(dǎo)體器件工程方面的經(jīng)驗，完成了納米片在晶體管中的集成與驗證。

賓夕法尼亞州立大學(xué)的 Saptarshi Das 教授表示：「這種跨學(xué)科、跨國界的合作模式，加速了基礎(chǔ)研究向應(yīng)用轉(zhuǎn)化的進程。二硼化鈦納米片的成功應(yīng)用，不僅為二維晶體管提供了一種新型柵極絕緣體，更拓展了硼化物材料在電子領(lǐng)域的應(yīng)用邊界。」

對于產(chǎn)業(yè)界而言，這項研究的意義遠超單一材料的發(fā)現(xiàn)。它證實了非常規(guī)材料（如硼化物）在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用潛力，為突破傳統(tǒng)氧化物、氮化物的限制提供了新思路。同時，室溫溶液處理工藝的采用，降低了大規(guī)模制備的成本門檻，為未來的工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

展望未來，研究團隊計劃從三個方向推進這項成果：一是優(yōu)化納米片的大面積制備工藝，探索 roll-to-roll（卷對卷）生產(chǎn)等規(guī)模化技術(shù)；二是將其與更多類型的二維半導(dǎo)體材料（如二硫化鉬、黑磷）集成，開發(fā)高性能邏輯器件與傳感器；三是探索其在量子計算、柔性電子等新興領(lǐng)域的應(yīng)用，利用其原子級厚度與低缺陷特性，解決量子比特退相干、柔性基底兼容性等難題。

Jasuja 教授強調(diào)：「隨著半導(dǎo)體行業(yè)逐漸逼近『摩爾定律』的物理極限，二維材料將成為下一代器件的核心。二硼化鈦納米片的突破，只是這一進程中的重要一步。我們相信，更多非常規(guī)材料的挖掘與應(yīng)用，將推動半導(dǎo)體技術(shù)邁向更小、更快、更節(jié)能的新時代。」