作為組成芯片的基本元件，晶體管的尺寸隨著芯片縮小不斷接近物理極限，其中發(fā)揮著絕緣作用的柵介質(zhì)材料十分關(guān)鍵。中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員狄增峰團(tuán)隊(duì)開發(fā)出面向二維集成電路的單晶氧化鋁柵介質(zhì)材料——人造藍(lán)寶石，這種材料具有卓越的絕緣性能，即使在厚度僅為1納米時(shí)，也能有效阻止電流泄漏。相關(guān)成果8月7日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》。

“二維集成電路是一種新型芯片，用厚度僅為1個(gè)或幾個(gè)原子層的二維半導(dǎo)體材料構(gòu)建，有望突破傳統(tǒng)芯片的物理極限。但由于缺少與之匹配的高質(zhì)量柵介質(zhì)材料，其實(shí)際性能與理論相比尚存較大差異。”中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員狄增峰說。

狄增峰表示，傳統(tǒng)的柵介質(zhì)材料在厚度減小到納米級別時(shí)，絕緣性能會(huì)下降，進(jìn)而導(dǎo)致電流泄漏，增加芯片的能耗和發(fā)熱量。為應(yīng)對該難題，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新開發(fā)出原位插層氧化技術(shù)。

“原位插層氧化技術(shù)的核心在于精準(zhǔn)控制氧原子一層一層有序嵌入金屬元素的晶格中。”中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員田子傲說，“傳統(tǒng)氧化鋁材料通常呈無序結(jié)構(gòu)，這會(huì)導(dǎo)致其在極薄層面上的絕緣性能大幅下降。”

▲氧化鋁薄膜晶圓。（受訪團(tuán)隊(duì)供圖）

具體來看，團(tuán)隊(duì)首先以鍺基石墨烯晶圓作為預(yù)沉積襯底生長單晶金屬鋁，利用石墨烯與單晶金屬鋁之間較弱的范德華作用力，實(shí)現(xiàn)4英寸單晶金屬鋁晶圓無損剝離，剝離后單晶金屬鋁表面呈現(xiàn)無缺陷的原子級平整。隨后，在極低的氧氣氛圍下，氧原子逐層嵌入單晶金屬鋁表面的晶格中，最終得到穩(wěn)定、化學(xué)計(jì)量比準(zhǔn)確、原子級厚度均勻的氧化鋁薄膜晶圓。

狄增峰介紹，團(tuán)隊(duì)成功以單晶氧化鋁為柵介質(zhì)材料制備出低功耗的晶體管陣列，晶體管陣列具有良好的性能一致性。晶體管的擊穿場強(qiáng)、柵漏電流、界面態(tài)密度等指標(biāo)均滿足國際器件與系統(tǒng)路線圖對未來低功耗芯片的要求，有望啟發(fā)業(yè)界發(fā)展新一代柵介質(zhì)材料。