靠煤炭破局！攻克二维半导体多年工艺瓶颈

硅基微电子技术推动了数字革命，但它的性能与能效正开始受到硅本身基础物理性质的限制。提升算力的一个候选方案是 “二维材料”：这类材料仅有单个原子厚度，即便当硅工艺遇到显著的微缩瓶颈时，二维材料依旧能保持优异的电学性能。然而，赋予二维材料这一优势的结构特性，也让它们更难被加工成可用器件。

伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校格兰杰工程学院材料科学与工程教授Qing Cao，从煤炭制成的纳米颗粒中找到了一个出人意料的解决方案。在与美国能源部国家能源技术实验室（NETL）的合作研究中，Cao团队发现：由烟煤制备得到的碳纳米点（尺寸1至5纳米、单层原子结构，类石墨烯颗粒），可以充当原子尺度的界面粘结剂。

碳纳米点能够帮助二维材料（如石墨烯、二硫化钼）实现集成，且不会与二维导电沟道发生杂化；它可以形成洁净界面，并支撑超薄、热稳定电介质层的生长。Cao表示：“基于二维材料制备的器件极具吸引力，因为它们可以继续向下微缩，达到硅材料开始出现严重性能问题的尺寸。”

“但二维材料没有三维化学结构，很难直接在其表面生长晶体管工作所必需的绝缘电介质层。这是一个由来已久的瓶颈。而我们从一个意想不到的方向找到了办法：经过处理的煤炭制备出的碳纳米点，可以作为底层基底，在二维材料上生长薄且高质量的电介质，同时保持洁净界面。这是制造晶体管的关键一步。”

Cao及其研究团队在《自然》期刊上发表论文称，利用该工艺制备的电介质层，性能超过IEEE在《器件与系统国际路线图》中设定的行业指标：等效氧化层厚度0.6纳米，漏电流密度低于0.1毫安每平方厘米。团队进一步验证，采用该方法制备的场效应晶体管与集成逻辑门，工作电压约0.5伏。相比当下先进硅技术普遍0.6–0.8伏的工作区间，该电压显著更低，能够降低计算所需功耗。

二维半导体的前景与挑战

二硫化钼这类二维材料在半导体器件领域潜力巨大，不仅因为它们具备原子级薄度，还因为材料表面不存在悬键—— 也就是没有参与化学键的自由表面电子。

当硅材料微缩到超薄尺寸时，表面悬键与界面缺陷会散射载流子、降低电子迁移速度。二维材料没有悬键，这让它成为制造更小、更高能效晶体管的优质候选。但这一特性，同时也增加了器件制备难度。

Cao说：“从微缩角度看，不存在悬键是很大优势，但这同时也是必须攻克的集成难题。对于硅材料，悬键可以支撑绝缘薄膜通过成熟的化学气相沉积、原子层沉积工艺生长。但二维材料没有可用的自由化学键位点，如何在其表面沉积薄膜，一直是长期悬而未决的难题。”

借助煤基碳纳米点实现集成

Cao的团队此前就与NETL合作，研究煤基材料在微电子制造中的应用。煤炭中碳元素独特的化学结构与物理特性，催生了一类可用于现代半导体器件的新型先进材料，在全球最古老能源之一和最尖端电子技术之间搭建起一条意想不到的桥梁。

在本次最新合作中，研究人员探究了由烟煤加工得到的碳纳米点。得益于自身结构，碳纳米点的类石墨烯表面会与接触到的二维材料产生范德华力，二者之间不形成化学键。

与此同时，碳纳米点边缘的官能团可以和上方的氧化物绝缘层成键，把二维半导体和电介质结合在一起，并且不会改变半导体本身的化学结构。

Cao介绍：“碳纳米点起到成核中心的作用，电介质层会从这些位点开始生长。因此纳米点需要尽可能紧密排布。我们采用朗缪尔 - 谢弗组装法实现该效果。简单来说，先把纳米点分散在有机溶剂中，再将液滴滴到水面。在表面张力作用下，液体铺展成薄层；随后溶剂蒸发，纳米点漂浮在水面上。接着我们对纳米点进行机械挤压，形成致密的单层膜，再把这层膜转移到二维半导体表面。这层碳点单层膜作为籽晶层，借助原子层沉积工艺，生长出平整超薄、高介电常数的氧化物。”

面向工业落地设计

Cao团队与NETL正致力于把这套新型制备工艺打磨到可用于半导体量产。研究中有很大一部分工作是对碳纳米点进行表征，确保其化学纯度 —— 这是工业制造环节非常关键的一点。

Cao提到：“煤炭通常被认为杂质多，而微电子制造要求极高洁净度。我们投入大量工作，保证制备出来的材料纯度足够高。我们确保这层单层膜内，不存在会干扰标准硅基CMOS制造环境的杂质。借助碳纳米点籽晶层，半导体行业广泛使用的原子层沉积工艺，就可以直接在二维半导体上生长高质量电介质。”

除NETL外，该项目还得到伊利诺伊大学格兰杰工程学院高性能先进半导体芯片中心支持。该中心推动与IBM、英特尔、台积电等半导体行业伙伴开展合作。

Cao说：“科研界早已知道二维半导体性能可以超越超薄硅片，但高质量电介质层的集成一直是重大挑战。我们利用碳纳米点作为原子级界面，验证了一条可行技术路径，有望推动这类材料落地到未来电子技术中。”