中國(guó)粉體網(wǎng)訊  近日，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的科學(xué)家成功研制出一種人造藍(lán)寶石作為絕緣介質(zhì)的晶圓，為開(kāi)發(fā)低功耗芯片提供了重要的技術(shù)支撐。這一成果8月7日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。

芯片中的晶體管數(shù)量攀升，介質(zhì)材料成難題

硅基集成電路是現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)步的基石，但在尺寸縮小方面面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。當(dāng)硅基晶體管溝道厚度接近納米尺度時(shí)，特別是小于幾納米，晶體管的性能就會(huì)顯著下降，進(jìn)一步持續(xù)發(fā)展面臨物理極限的瓶頸。

研究人員把目光投向了二維半導(dǎo)體材料。二維半導(dǎo)體材料具有高載流子遷移率和抑制短溝道效應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，是下一代集成電路芯片的理想溝道材料。三星正致力于將二維半導(dǎo)體材料應(yīng)用于高頻和低功耗芯片制造。臺(tái)積電正在研究如何將二維半導(dǎo)體材料集成到現(xiàn)有半導(dǎo)體制程中，以提高晶體管的性能和降低功耗。歐盟通過(guò)“歐洲芯片法案”，推動(dòng)二維半導(dǎo)體材料的研究和開(kāi)發(fā)，聯(lián)合IMEC建成歐洲第一條二維半導(dǎo)體材料先導(dǎo)中試線，促進(jìn)歐洲在二維半導(dǎo)體領(lǐng)域的前瞻布局和自主創(chuàng)新。

然而，二維半導(dǎo)體溝道材料缺少與之匹配的高質(zhì)量柵介質(zhì)材料，當(dāng)傳統(tǒng)的介質(zhì)材料厚度減小到納米級(jí)別時(shí)，其絕緣性能會(huì)顯著下降，導(dǎo)致電流泄漏。導(dǎo)致二維晶體管實(shí)際性能與理論存在較大差異。

單晶氧化鋁有妙用

中國(guó)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介紹，以前的介質(zhì)材料主要是用非晶的材料來(lái)做，他們這次發(fā)明主要是發(fā)明了晶體的介質(zhì)材料，通過(guò)插層氧化的技術(shù)對(duì)單晶鋁進(jìn)行氧化，實(shí)現(xiàn)了單晶氧化鋁作為介質(zhì)材料，它在1納米下能夠?qū)崿F(xiàn)非常低的泄漏電流。

上圖為一個(gè)最典型的器件結(jié)構(gòu)，下面是鍺的半導(dǎo)體材料，中間是介質(zhì)，上面是金屬，中間薄薄的一層只有約2納米，是人工合成的藍(lán)寶石。界面非常清晰，光滑的界面有助于限制漏電流的產(chǎn)生。

田子傲研究員介紹，“與非晶材料相比，單晶氧化鋁柵介質(zhì)材料在結(jié)構(gòu)和電子性能上具有明顯優(yōu)勢(shì)，是基于二維半導(dǎo)體材料晶體管的理想介質(zhì)材料。其態(tài)密度降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，相較于傳統(tǒng)界面有了顯著改善。”

狄增峰研究員介紹，“硅基集成電路芯片長(zhǎng)期使用非晶二氧化硅作為柵介質(zhì)材料，從2005年，非晶高介電常數(shù)柵介質(zhì)材料開(kāi)始使用，進(jìn)一步提升柵控能力。因此，柵介質(zhì)材料一般認(rèn)為是非晶材料，此次開(kāi)拓性研制出單晶氧化物作為二維晶體管的柵介質(zhì)材料并成功實(shí)現(xiàn)二維低功耗芯片，有望啟發(fā)集成電路產(chǎn)業(yè)界發(fā)展新一代柵介質(zhì)材料”。

據(jù)介紹，通過(guò)采用這種新型材料，科研團(tuán)隊(duì)目前已成功制備出低功耗芯片器件，續(xù)航能力和運(yùn)行效率得到大幅提升。這一成果不僅對(duì)智能手機(jī)的電池續(xù)航具有重要意義，還為人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的低功耗芯片發(fā)展提供了有力支持。

信息來(lái)源：央視財(cái)經(jīng)、上海科技

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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