中國科學家開發出面向新型芯片的絕緣材料

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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，其中發揮著絕緣作用的栅介質材料十分關鍵。據新華社報道，中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員狄增峰團隊開發出面向二維集成電路的單晶氧化鋁栅介質材料——人造藍寶石，這種材料具有卓越的絕緣性能，即使在厚度僅為1納米時，也能有效阻止電流洩漏。相關成果8月7日發表於國際學術期刊《自然》。



中國科學院上海微系統與信息技術研究所成果登上《自然》。（海報由受訪團隊提供）

“二維集成電路是一種新型芯片，用厚度僅為1個或幾個原子層的二維半導體材料構建，有望突破傳統芯片的物理極限。但由於缺少與之匹配的高質量栅介質材料，其實際性能與理論相比尚存較大差異。”中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員狄增峰說。

狄增峰表示，傳統的栅介質材料在厚度減小到納米級別時，絕緣性能會下降，進而導致電流洩漏，增加芯片的能耗和發熱量。為應對該難題，團隊創新開發出原位插層氧化技術。

“原位插層氧化技術的核心在於精準控制氧原子一層一層有序嵌入金屬元素的晶格中。”中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員田子傲說，“傳統氧化鋁材料通常呈無序結構，這會導致其在極薄層面上的絕緣性能大幅下降。”



氧化鋁薄膜晶圓。（受訪團隊供圖）

具體來看，團隊首先以鍺基石墨烯晶圓作為預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範德華作用力，實現4英寸單晶金屬鋁晶圓無損剝離，剝離後單晶金屬鋁表面呈現無缺陷的原子級平整。隨後，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，最終得到穩定、化學計量比準確、原子級厚度均勻的氧化鋁薄膜晶圓。

狄增峰介紹，團隊成功以單晶氧化鋁為栅介質材料製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、栅漏電流、界面態密度等指標均滿足國際器件與系統路線圖對未來低功耗芯片的要求，有望啟發業界發展新一代栅介質材料。