隨著電子設備不斷小型化和性能要求的提升專業(yè)在線股票配資網(wǎng)，芯片中的晶體管數(shù)量持續(xù)增加，尺寸也日益縮小。這一趨勢使得現(xiàn)代電子產(chǎn)品在便攜性和功能性上都取得了顯著進步。然而，晶體管尺寸的縮小同時帶來了新的技術挑戰(zhàn)，尤其是在介質材料方面。
為了解決這一難題，中國科研團隊開發(fā)了一種創(chuàng)新的金屬插層氧化技術。晚間，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所（下稱“上海微系統(tǒng)所”）狄增峰研究員團隊在面向低功耗二維集成電路的單晶金屬氧化物柵介質晶圓研制方面取得突破性進展，相關成果以《面向頂柵結構二維晶體管的單晶金屬氧化物柵介質材料》（Single-crystalline metal-oxide dielectrics for top-gate 2D transistors）為題，發(fā)表于國際學術期刊《自然》。
這一進展不僅對智能手機的電池續(xù)航具有重要意義，還為人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等領域的低功耗芯片發(fā)展提供了強有力的支持。此外，這項技術的應用前景廣泛。隨著5G、邊緣計算和智能家居等新興技術的發(fā)展，對低功耗、高性能芯片的需求不斷增加，助力下一代智能設備的普及。
該成果的第一完成單位為中國科學院上海微系統(tǒng)所，第一作者為中國科學院上海微系統(tǒng)所曾道兵博士，中國科學院上海微系統(tǒng)所田子傲研究員、狄增峰研究員為共同通訊作者。研究工作獲得國家自然科學基金委員會、科技部、中國科學院、上海市科委等項目的支持。
科研團隊對第一財經(jīng)介紹，硅基集成電路是現(xiàn)代技術進步的基石，但在尺寸縮小方面面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。當硅基晶體管溝道厚度接近納米尺度時，特別是小于幾納米，晶體管的性能就會顯著下降，進一步持續(xù)發(fā)展面臨物理極限的瓶頸。二維半導體材料具有高載流子遷移率和抑制短溝道效應等優(yōu)勢，是下一代集成電路芯片的理想溝道材料。
例如，三星正致力于將二維半導體材料應用于高頻和低功耗芯片制造。臺積電正在研究如何將二維半導體材料集成到現(xiàn)有半導體制程中，以提高晶體管的性能和降低功耗。歐盟通過“歐洲芯片法案”，推動二維半導體材料的研究和開發(fā)，聯(lián)合IMEC建成歐洲第一條二維半導體材料先導中試線，促進歐洲在二維半導體領域的前瞻布局和自主創(chuàng)新。
然而，二維半導體溝道材料缺少與之匹配的高質量柵介質材料，導致二維晶體管實際性能與理論存在較大差異。傳統(tǒng)硅基非晶柵介質材料表面懸掛鍵較多，與二維半導體材料形成的界面存在大量電子陷阱，影響二維晶體管性能。
上海微系統(tǒng)所集成電路材料全國重點實驗室狄增峰研究員團隊開發(fā)了單晶金屬插層氧化技術，室溫下實現(xiàn)單晶氧化鋁柵介質材料晶圓制備，并應用于先進二維低功耗芯片的開發(fā)。
這項技術的核心，在于能夠在室溫下，精準操控氧原子逐層嵌入鋁的晶格中，形成有序的單晶氧化鋁介質材料——藍寶石。傳統(tǒng)的氧化鋁材料通常呈現(xiàn)無序結構，這種無序會導致其在極薄層面上的絕緣性能大幅下降。而藍寶石的單晶結構則為其帶來了更高的電子遷移率和更低的電流泄漏率。這種材料在微觀層面上的有序排列，確保了電子在傳輸過程中的穩(wěn)定性，使得即使在僅有1納米的厚度下，依然能夠有效阻止電流的泄漏，從而顯著提高了芯片的能效。
目前，這一材料已成功應用于半導體芯片制程中，結合二維材料，制備出低功耗芯片器件。通過采用這種新型材料，芯片的功耗顯著降低，續(xù)航能力和運行效率得到了大幅提升。
“與非晶材料相比，單晶氧化鋁柵介質材料在結構和電子性能上具有明顯優(yōu)勢，是基于二維半導體材料晶體管的理想介質材料。其態(tài)密度降低了兩個數(shù)量級，相較于傳統(tǒng)界面有了顯著改善。”本文通訊作者田子傲研究員介紹道。
本文通訊作者狄增峰研究員補充解釋，硅基集成電路芯片長期使用非晶二氧化硅作為柵介質材料，從2005年，非晶高介電常數(shù)柵介質材料開始使用，進一步提升柵控能力。因此，柵介質材料一般認為是非晶材料，此次開拓性研制出單晶氧化物作為二維晶體管的柵介質材料并成功實現(xiàn)二維低功耗芯片，有望啟發(fā)集成電路產(chǎn)業(yè)界發(fā)展新一代柵介質材料。
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