我科学家开发出面向低功耗芯片的绝缘材料

实习生 冯妍 科技日报记者 王春

记者8日从中国科学院上海微系统与信息技术研究所获悉，该所狄增峰研究员团队研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，未来可用于开发低功耗芯片。相关成果7日发表在国际学术期刊《自然》上。

二维集成电路采用厚度仅为1个或几个原子层的二维半导体材料构建，是下一代集成电路芯片的理想沟道材料。但由于缺少高质量的栅介质材料，其实际性能与理论相比尚存在较大差距。

“传统的栅介质材料在厚度减小到纳米级别时，其与二维半导体沟道材料间的界面特性，会导致电流泄漏，增加芯片的能耗和发热量。单晶栅介质材料能形成完美界面，但通常需要较高的工艺温度，易对二维半导体材料造成损伤，也难以达成理想的绝缘效果。”狄增峰说。而他们开发的单晶氧化铝栅介质材料，即使在厚度仅为1纳米时，也能有效阻止电流泄漏。

氧化铝为蓝宝石的主要构成材料。传统氧化铝材料通常呈无序结构，在极薄层面上的绝缘性能不佳。团队采用单晶金属插层氧化技术，在室温下精准控制氧原子一层一层地有序嵌入金属元素的晶格中，最终得到稳定、化学计量比准确、原子级厚度均匀的氧化铝薄膜晶圆。

团队以单晶氧化铝为栅介质材料，成功制备出了低功耗的晶体管阵列。该晶体管阵列不仅具有良好的性能一致性，且晶体管的击穿场强、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，有望为业界发展新一代栅介质材料提供借鉴。