盖世汽车讯 硅基微电子技术推动了数字革命，但其性能和效率正逐渐触及由硅自身基本特性所决定的极限。“二维”材料是延续算力增长趋势的有力候选者：这类材料仅有一个原子厚，即便在硅材料面临严峻的微缩挑战时，仍能保持卓越的电子性能。然而，赋予二维材料这一优势的结构特征，同时也增加了将其制成实用器件的难度。

据外媒报道，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois Urbana-Champaign）格兰杰工程学院（Grainger College of Engineering）材料科学与工程系教授Qing Cao发现了一种出人意料的解决方案——利用煤制纳米颗粒。

图片来源：伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校

Cao与美国能源部国家能源技术实验室（NETL）合作，发现了一种源自烟煤的碳纳米点——即宽度为1至5纳米、厚度仅为单原子层的类石墨烯颗粒——并将其用作原子尺度的界面粘合剂。

这些碳纳米点能够促进与石墨烯、二硫化钼等二维材料的结合，且不会与二维导电通道发生杂化，从而形成洁净的界面，并支持超薄且热稳定性良好的介电层生长。

Cao表示：“由二维材料制成的器件极具吸引力，因为它们能够持续微缩至硅材料开始面临严峻性能挑战的尺寸范围。然而，由于缺乏三维化学结构，很难直接在二维材料表面生长晶体管运行所需的绝缘介电层。这是一个由来已久的瓶颈问题，而我们从一个意想不到的来源找到了解决方案：由加工煤制成的碳纳米点。它们可作为底涂层，在二维材料上生长出高质量的薄介电层并保持界面洁净，这是制造晶体管的关键一步。”

Cao及其研究团队在期刊《自然-通讯》（Nature Communications）上报告称，其研发的介电层性能优于IEEE《国际器件与系统路线图》（IRDS）设定的行业目标：该介电层的等效氧化层厚度为0.6纳米，漏电流密度低于0.1毫安/平方厘米。

他们进一步展示了利用该方法制造的场效应晶体管和集成逻辑门可在约0.5伏的电压下工作；这一电压远低于当前先进硅基技术通常所需的0.6至0.8伏工作电压范围，从而降低了计算所需的能耗。

二维半导体的前景与挑战

诸如二硫化钼之类的二维材料在半导体器件领域极具潜力，这不仅因为它们具有原子级的厚度，还因为它们不存在“悬挂键”——即未参与化学键合的自由表面电子。

当硅材料被缩减至超薄尺寸时，表面的悬挂键和界面缺陷会散射载流电子，从而降低其传输速度。二维材料因不具备这些缺陷而成为制造更小巧、更高效晶体管的理想候选材料，但这一特性同时也增加了利用它们制造器件的难度。

Cao表示：“从器件微缩的角度来看，不存在悬挂键这一特性极具吸引力；但与此同时，这也是集成过程中必须克服的一大障碍。对于硅材料而言，悬挂键的存在使得我们可以利用化学气相沉积（CVD）和原子层沉积（ALD）等成熟工艺来生长绝缘薄膜。然而，二维材料表面缺乏自由化学键合位点，因此，如何在其上生长薄膜层一直以来都是一个亟待解决的难题。”

与煤基碳纳米点的集成应用

Cao的研究团队此前曾与国家能源技术实验室（NETL）合作，探索煤基材料在微电子制造领域的应用。煤炭中碳元素所特有的化学结构与物理性质，为开发适用于现代半导体器件的新型先进材料奠定了基础；这在世界上最古老的能源之一与最尖端的电子技术之间，架起了一座意想不到的桥梁。

在最新一轮合作中，研究人员重点研究了由烟煤加工而成的碳纳米点。得益于其独特的结构，这些碳纳米点具有类石墨烯表面；当它们与二维材料接触时，无需发生化学键合，便能产生一种被称为范德华力（van der Waals force）的相互吸引作用。

与此同时，它们边缘的官能团能与上方的氧化物绝缘体结合，从而将二维半导体与介电材料连接起来，且不会改变半导体本身的化学结构。

“碳纳米点充当了介电层生长的成核中心，因此需要尽可能紧密地排列，”Cao说道。“我们利用Langmuir-Schaefer组装技术实现了这一点。具体而言，我们将纳米点分散在有机溶剂中，并将液滴滴加到水面上。在表面张力的作用下，液体铺展成薄层；随后，待溶剂挥发，纳米点便留在了水面上。接着，我们通过机械方式将它们推拢，形成紧密排列的单层结构，并将其转移到二维半导体表面。利用原子层沉积技术，该碳点单层作为晶种，引导形成平整且超薄的高介电常数氧化物层。”

专为工业应用而设计

Cao与NETL正致力于使这一新型制造工艺能够应用于半导体生产。该研究的一个重要环节是对纳米点进行表征并确保其化学纯度，因为纯度是工业制造过程中的关键考量因素。

“通常人们认为煤炭是‘脏’的，而微电子制造则要求极高的洁净度，”Cao说道，“我们投入了大量精力，确保所制备的材料具备极高的纯度。”“我们确保单层材料中不含任何与标准硅CMOS制造环境不兼容的杂质。此外，利用碳纳米点作为晶种层，我们可以通过原子层沉积（一种半导体行业广泛采用的标准制造技术）在二维半导体上直接生长出高质量的介电层。”

除 NETL 外，该项目还得到了伊利诺伊大学格雷格工程学院（Illinois Grainger Engineering）“高性能加速先进半导体芯片中心”的支持；该中心致力于促进与 IBM、英特尔（Intel）及台积电（TSMC）等半导体行业合作伙伴的联系。

Cao表示：“研究人员早已知晓，二维半导体的性能优于超薄硅，但如何集成高质量的介电层一直是一项重大挑战。通过利用碳纳米点作为原子级界面，我们展示了一条切实可行的途径，有望推动这些材料在未来电子技术中的应用。”