納米片，讓芯片再小一點_風聞

本文由半導體產業縱橫（ID：ICVIEWS）綜合

二維材料改寫芯片極限。

在數字時代，芯片作為現代科技的核心，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，晶體管尺寸的持續縮小推動了計算能力的指數級增長，支撐起智能終端、航天設備、人工智能等諸多領域的飛速發展。然而，當晶體管尺寸逼近物理極限，傳統硅基材料的性能瓶頸日益凸顯，如何突破這一限制，開發出更小、更快、更節能的器件，成為全球半導體行業亟待解決的關鍵課題。

近日，一項由印度理工學院甘地訥格爾分校（IIT-Gn）與美國賓夕法尼亞州立大學聯合完成的研究，為這一難題帶來了新的曙光。研究團隊聚焦二維材料領域，成功將二硼化鈦轉化為穩定的納米片，並證實其可作為原子級薄晶體管的柵極絕緣體，為未來半導體器件的微型化和性能躍升奠定了重要基礎。相關成果以《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，發表在國際頂級期刊《ACS Nano》上，引發業界廣泛關注。

柵極絕緣體：晶體管性能的“隱形調節器”

在半導體器件中，晶體管的核心功能是通過控制電流流動實現信號的開關與放大，而柵極絕緣體則是這一過程的“關鍵調節器”。它位於晶體管的柵極與導電通道之間，通過施加電壓控制通道的導通與截止，直接影響器件的開關速度、能耗及可靠性。

隨着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。傳統材料如二氧化硅，在厚度降至一定程度時會出現嚴重的漏電現象，導致能量損耗增加、器件穩定性下降。因此，尋找兼具超薄物理厚度與優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。

印度理工學院甘地訥格爾分校的Kabeer Jasuja教授指出：“二維半導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控電流、抑制泄漏，這種‘薄與效’的平衡是研發的難點。”

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異，卻難以通過低成本工藝實現大面積製備；另一些材料雖易於加工，卻存在缺陷密度高、穩定性不足等問題。而二硼化鈦納米片的發現，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：室温工藝的創新突破

二硼化鈦（TiB₂）是一種已知的過渡金屬硼化物，具有高硬度、高熔點和優異的導電性，常用於耐磨塗層、電極材料等領域。但將其轉化為適用於半導體器件的柵極絕緣體，需要突破材料形態與性能的雙重轉變。

研究團隊開發了一種創新的室温處理工藝，通過化學剝離將塊狀二硼化鈦轉化為原子級薄的納米片，並進一步對其進行表面修飾，使其形成穩定的AIB₂型二硼化物結構。這一過程無需高温高壓條件，不僅降低了製備成本，還能有效避免材料在加工過程中因高温產生的缺陷。

“我們驚喜地發現，經過處理的二硼化鈦納米片展現出卓越的介電性能。”Jasuja教授介紹道，“其介電常數（衡量材料儲存電荷能力的關鍵指標）顯著高於傳統二氧化硅，且缺陷密度極低，能夠有效抑制漏電現象。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，完美匹配二維半導體的尺度需求。”

據研究團隊透露，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。實驗數據顯示，基於該材料的晶體管開關比（衡量器件性能的核心參數）達到了10⁶以上，接近理想器件水平，且在連續工作數千次後仍保持穩定，展現出良好的可靠性。

跨界合作與未來潛力：從實驗室到產業的可能

這項突破性研究的背後，是印度理工學院甘地訥格爾分校與美國賓夕法尼亞州立大學的深度協作。印度團隊主導材料的合成與表徵，利用其在二維材料化學領域的積累，開發出高效的室温製備工藝；美國團隊則專注於器件設計與電氣性能測試，憑藉在半導體器件工程方面的經驗，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的Saptarshi Das教授表示：“這種跨學科、跨國界的合作模式，加速了基礎研究嚮應用轉化的進程。二硼化鈦納米片的成功應用，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域的應用邊界。”

對於產業界而言，這項研究的意義遠超單一材料的發現。它證實了非常規材料（如硼化物）在半導體器件中的應用潛力，為突破傳統氧化物、氮化物的限制提供了新思路。同時，室温溶液處理工藝的採用，降低了大規模製備的成本門檻，為未來的工業化生產奠定了基礎。

展望未來，研究團隊計劃從三個方向推進這項成果：一是優化納米片的大面積製備工藝，探索roll-to-roll（卷對卷）生產等規模化技術；二是將其與更多類型的二維半導體材料（如二硫化鉬、黑磷）集成，開發高性能邏輯器件與傳感器；三是探索其在量子計算、柔性電子等新興領域的應用，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：“隨着半導體行業逐漸逼近‘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，更多非常規材料的挖掘與應用，將推動半導體技術邁向更小、更快、更節能的新時代。”

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