重大突破！我国科学家开发出面向新型芯片的绝缘材料

集成电路是现代技术进步的基石，但在尺寸缩小方面面临着严峻的挑战。作为组成芯片的基本元件，晶体管的尺寸随着芯片缩小不断接近物理极限，其中发挥着绝缘作用的栅介质材料十分关键。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员狄增峰团队开发出面向二维集成电路的单晶氧化铝栅介质材料——人造蓝宝石，这种材料具有卓越的绝缘性能，即使在厚度仅为1纳米时，也能有效阻止电流泄漏。相关成果以《面向顶栅结构二维晶体管的单晶金属氧化物栅介质材料》为题，8月7日发表于国际学术期刊《自然》。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所成果登上《自然》。（海报由受访团队提供）

二维集成电路是一种新型芯片，用厚度仅为1个或几个原子层的二维半导体材料构建，有望突破传统芯片的物理极限。然而，二维半导体沟道材料缺少与之匹配的高质量栅介质材料，导致二维晶体管实际性能与理论存在较大差异。中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员狄增峰说。

狄增峰表示，传统的栅介质材料在厚度减小到纳米级别时，绝缘性能会下降，进而导致电流泄漏，增加芯片的能耗和发热量。为应对该难题，团队创新开发出原位插层氧化技术。

“原位插层氧化技术的核心在于精准控制氧原子一层一层有序嵌入金属元素的晶格中。”中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员田子傲说，“传统氧化铝材料通常呈无序结构，这会导致其在极薄层面上的绝缘性能大幅下降。与非晶材料相比，单晶氧化铝栅介质材料在结构和电子性能上具有明显优势，是基于二维半导体材料晶体管的理想介质材料。其态密度降低了两个数量级，相较于传统界面有了显著改善。”

  氧化铝薄膜晶圆。（受访团队供图）

  狄增峰介绍，团队成功以单晶氧化铝为栅介质材料制备出低功耗的晶体管阵列，晶体管阵列具有良好的性能一致性。晶体管的击穿场强、栅漏电流、界面态密度等指标均满足国际器件与系统路线图对未来低功耗芯片的要求，有望启发业界发展新一代栅介质材料。