纳米片, 让芯片再小一点

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）综合

二维材料改写芯片极限。

在数字时代，芯片作为现代科技的核心，其性能提升始终与晶体管的微型化进程紧密相连。从早期的微米级到如今的纳米级，晶体管尺寸的持续缩小推动了计算能力的指数级增长，支撑起智能终端、航天设备、人工智能等诸多领域的飞速发展。然而，当晶体管尺寸逼近物理极限，传统硅基材料的性能瓶颈日益凸显，如何突破这一限制，开发出更小、更快、更节能的器件，成为全球半导体行业亟待解决的关键课题。

近日，一项由印度理工学院甘地讷格尔分校（IIT-Gn）与美国宾夕法尼亚州立大学联合完成的研究，为这一难题带来了新的曙光。研究团队聚焦二维材料领域，成功将二硼化钛转化为稳定的纳米片，并证实其可作为原子级薄晶体管的栅极绝缘体，为未来半导体器件的微型化和性能跃升奠定了重要基础。相关成果以《由二硼化钛衍生的纳米片作为原子级薄晶体管的栅极绝缘体》为题，发表在国际顶级期刊《ACS Nano》上，引发业界广泛关注。

栅极绝缘体：晶体管性能的“隐形调节器”

在半导体器件中，晶体管的核心功能是通过控制电流流动实现信号的开关与放大，而栅极绝缘体则是这一过程的“关键调节器”。它位于晶体管的栅极与导电通道之间，通过施加电压控制通道的导通与截止，直接影响器件的开关速度、能耗及可靠性。

随着晶体管尺寸不断缩小至纳米级别，栅极绝缘体的性能面临严峻挑战。传统材料如二氧化硅，在厚度降至一定程度时会出现严重的漏电现象，导致能量损耗增加、器件稳定性下降。因此，寻找兼具超薄物理厚度与优异介电性能的新型材料，成为突破晶体管微型化瓶颈的核心任务。

印度理工学院甘地讷格尔分校的Kabeer Jasuja教授指出：“二维半导体是解决这一问题的重要方向，其原子级的厚度为器件微型化提供了天然优势。但这也对栅极绝缘体提出了更高要求——它需要足够薄以匹配二维材料的尺度，同时又要具备足够的物理厚度来有效调控电流、抑制泄漏，这种‘薄与效’的平衡是研发的难点。”

此前，科研界曾尝试使用氧化铪、氮化硼等材料作为二维晶体管的栅极绝缘体，但效果参差不齐。部分材料虽介电性能优异，却难以通过低成本工艺实现大面积制备；另一些材料虽易于加工，却存在缺陷密度高、稳定性不足等问题。而二硼化钛纳米片的发现，为解决这些矛盾提供了新的可能。

从二硼化钛到功能纳米片：室温工艺的创新突破

二硼化钛（TiB₂）是一种已知的过渡金属硼化物，具有高硬度、高熔点和优异的导电性，常用于耐磨涂层、电极材料等领域。但将其转化为适用于半导体器件的栅极绝缘体，需要突破材料形态与性能的双重转变。

研究团队开发了一种创新的室温处理工艺，通过化学剥离将块状二硼化钛转化为原子级薄的纳米片，并进一步对其进行表面修饰，使其形成稳定的AIB₂型二硼化物结构。这一过程无需高温高压条件，不仅降低了制备成本，还能有效避免材料在加工过程中因高温产生的缺陷。

“我们惊喜地发现，经过处理的二硼化钛纳米片展现出卓越的介电性能。”Jasuja教授介绍道，“其介电常数（衡量材料储存电荷能力的关键指标）显著高于传统二氧化硅，且缺陷密度极低，能够有效抑制漏电现象。更重要的是，这种纳米片的厚度可精确控制在几个原子层级别，完美匹配二维半导体的尺度需求。”

据研究团队透露，这是全球首次证实二硼化钛衍生纳米片可作为高性能栅极绝缘体。实验数据显示，基于该材料的晶体管开关比（衡量器件性能的核心参数）达到了10⁶以上，接近理想器件水平，且在连续工作数千次后仍保持稳定，展现出良好的可靠性。

跨界合作与未来潜力：从实验室到产业的可能

这项突破性研究的背后，是印度理工学院甘地讷格尔分校与美国宾夕法尼亚州立大学的深度协作。印度团队主导材料的合成与表征，利用其在二维材料化学领域的积累，开发出高效的室温制备工艺；美国团队则专注于器件设计与电气性能测试，凭借在半导体器件工程方面的经验，完成了纳米片在晶体管中的集成与验证。

宾夕法尼亚州立大学的Saptarshi Das教授表示：“这种跨学科、跨国界的合作模式，加速了基础研究向应用转化的进程。二硼化钛纳米片的成功应用，不仅为二维晶体管提供了一种新型栅极绝缘体，更拓展了硼化物材料在电子领域的应用边界。”

对于产业界而言，这项研究的意义远超单一材料的发现。它证实了非常规材料（如硼化物）在半导体器件中的应用潜力，为突破传统氧化物、氮化物的限制提供了新思路。同时，室温溶液处理工艺的采用，降低了大规模制备的成本门槛，为未来的工业化生产奠定了基础。

展望未来，研究团队计划从三个方向推进这项成果：一是优化纳米片的大面积制备工艺，探索roll-to-roll（卷对卷）生产等规模化技术；二是将其与更多类型的二维半导体材料（如二硫化钼、黑磷）集成，开发高性能逻辑器件与传感器；三是探索其在量子计算、柔性电子等新兴领域的应用，利用其原子级厚度与低缺陷特性，解决量子比特退相干、柔性基底兼容性等难题。

Jasuja教授强调：“随着半导体行业逐渐逼近‘摩尔定律’的物理极限，二维材料将成为下一代器件的核心。二硼化钛纳米片的突破，只是这一进程中的重要一步。我们相信，更多非常规材料的挖掘与应用，将推动半导体技术迈向更小、更快、更节能的新时代。”

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