作為組成晶片的基本元件，電晶體的尺寸隨著晶片縮小不斷接近物理極限，其中發揮絕緣作用的柵介質材料十分關鍵。中國科學院上海微系統與資訊技術研究所研究員狄增峰團隊開發出面向二維積體電路的單晶氧化鋁柵介質材料－人造藍寶石，這種材料具有卓越的絕緣性能，即使在厚度僅1奈米時，也能有效阻止電流洩漏。相關成果8月7日發表於國際學術期刊《自然》。
中國科學院上海微系統與資訊科技研究所成果登上《自然》。（海報由受訪團隊提供）
「二維積體電路是一種新型晶片，以厚度僅為1個或幾個原子層的二維半導體材料構建，有望突破傳統晶片的物理極限。但由於缺少與之匹配的高質量柵介質材料，其實際性能與理論相比尚存較大差異。
狄增峰表示，傳統的柵極介質材料在厚度減小到奈米等級時，絕緣性能會下降，進而導致電流洩漏，增加晶片的能耗和發熱量。為因應此難題，團隊創新開發原位插層氧化技術。
「原位插層氧化技術的核心在於精準控制氧原子一層一層有序嵌入金屬元素的晶格中。」中國科學院上海微系統與資訊科技研究所研究員田子傲說，「傳統氧化鋁材料通常呈無序結構，這會導致其在極薄層面上的絕緣性能大幅下降。
氧化鋁薄膜晶圓。（受訪團隊供圖）
具體來看，團隊首先以鍺基石墨烯晶圓作為預沉積基板生長單晶金屬鋁，利用石墨烯與單晶金屬鋁之間較弱的范德華作用力，實現4吋單晶金屬鋁晶圓無損剝離，剝離後單晶金屬鋁表面呈現無缺陷的原子級平整。隨後，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，最終得到穩定、化學計量比準確、原子級厚度均勻的氧化鋁薄膜晶圓。
狄增峰介紹，團隊成功以單晶氧化鋁為柵極介質材料製備出低功耗的電晶體陣列，電晶體陣列具有良好的性能一致性。電晶體的擊穿場強、閘漏電流、界面態密度等指標均符合國際元件與系統路線圖對未來低功耗晶片的要求，可望啟發業界發展新一代閘介質材料。（記者董雪、張建松）
