隨著芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，晶體管的尺寸不斷縮小，已逐漸接近物理極限。在這一背景下，柵介質(zhì)材料作為芯片中的關(guān)鍵絕緣元件，其性能對(duì)芯片的整體性能具有重要影響。

　　然而，傳統(tǒng)的柵介質(zhì)材料在厚度減小到納米級(jí)別時(shí)，絕緣性能會(huì)顯著下降，導(dǎo)致電流泄漏、芯片能耗增加和發(fā)熱量上升。因此，開發(fā)新型的高質(zhì)量柵介質(zhì)材料成為解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。

　　中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的研究員狄增峰團(tuán)隊(duì)成功開發(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。

　　這一成果于2024年8月7日發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》，標(biāo)志著我國(guó)在新型芯片絕緣材料領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。

　　“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?！敝袊?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說(shuō)。

　　狄增峰表示，傳統(tǒng)的柵介質(zhì)材料在厚度減小到納米級(jí)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(duì)該難題，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新開發(fā)出原位插層氧化技術(shù)。

　　該技術(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，從而得到穩(wěn)定、化學(xué)計(jì)量比準(zhǔn)確、原子級(jí)厚度均勻的氧化鋁薄膜晶圓。與傳統(tǒng)的無(wú)序結(jié)構(gòu)氧化鋁材料相比，這種有序結(jié)構(gòu)的氧化鋁材料在極薄層面上的絕緣性能得到了顯著提升。

　　具體來(lái)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(zhǎng)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(wú)損剝離，剝離后單晶金屬鋁表面呈現(xiàn)無(wú)缺陷的原子級(jí)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(jí)厚度均勻的氧化鋁薄膜晶圓。

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