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，成為全球半導體行業(yè)亟待解決的關(guān)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(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(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。

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(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?！笿asuja 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，完美匹配二維半導體的尺度需求?！?/p>

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，是印度理工學院甘地訥格爾分校與美國賓夕法尼亞州立大學的深度協(xié)作。印度團隊主導材料的合成與表征，利用其在二維材料化學領(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(chǔ)研究向應用轉(zhuǎn)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(lǐng)域的應用邊界?！?/p>

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）在半導體器件中的應用潛力，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)?；夹g(shù)；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(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)材料的挖掘與應用，將推動半導體技術(shù)邁向更小、更快、更節(jié)能的新時代。」