當(dāng)芯片中的晶體管隨著摩爾定律向納米級(jí)不斷縮小時(shí)，發(fā)揮絕緣作用的介質(zhì)材料卻因?yàn)楹穸瓤s小而性能快速降低。如何為更小的晶體管匹配更佳的介質(zhì)材料，成為集成電路領(lǐng)域科學(xué)家們的苦苦追尋的目標(biāo)。

如今，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“上海微系統(tǒng)所”）狄增峰研究員團(tuán)隊(duì)在面向低功耗二維集成電路的單晶金屬氧化物柵介質(zhì)晶圓研制方面取得突破性進(jìn)展。他們使用創(chuàng)新技術(shù)研制的人造藍(lán)寶石，可以在1納米的厚度下，依然有效實(shí)現(xiàn)絕緣。這將讓超長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航的智能手機(jī)，或是超低功耗的芯片，都成為可能。相關(guān)論文8月7日登上國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》。

納米晶體管與傳統(tǒng)介質(zhì)材料的矛盾難以調(diào)和

硅基集成電路是現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)步的基石，但在尺寸縮小方面面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。當(dāng)硅基晶體管溝道厚度接近納米尺度時(shí)，特別是小于幾納米，晶體管的性能就會(huì)顯著下降，進(jìn)一步持續(xù)發(fā)展面臨物理極限的瓶頸。

究其原因，很重要的一點(diǎn)是晶體管尺寸的縮小同時(shí)帶來(lái)了介質(zhì)材料方面的巨大挑戰(zhàn)。電子芯片中的介質(zhì)材料主要起到絕緣的作用，但當(dāng)傳統(tǒng)的介質(zhì)材料厚度減小到納米級(jí)別時(shí)，其絕緣性能會(huì)顯著下降，導(dǎo)致電流泄漏。這不僅增加了芯片的能耗，還導(dǎo)致發(fā)熱量上升，影響了設(shè)備的穩(wěn)定性和使用壽命。

具有高載流子遷移率和抑制短溝道效應(yīng)等優(yōu)勢(shì)的二維半導(dǎo)體材料，被業(yè)界看作下一代集成電路芯片的理想溝道材料。然而，二維半導(dǎo)體溝道材料同樣缺少與之匹配的高質(zhì)量柵介質(zhì)材料，導(dǎo)致二維晶體管實(shí)際性能與理論存在較大差異。無(wú)論是傳統(tǒng)硅基非晶柵介質(zhì)材料，還是單晶柵介質(zhì)材料，都無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)先進(jìn)低功耗芯片發(fā)展要求。

人造藍(lán)寶石可有效阻止電流泄漏

面對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)中的這一巨大挑戰(zhàn)，上海微系統(tǒng)所狄增峰研究員團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種創(chuàng)新的單晶金屬插層氧化技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的核心在于其能夠在室溫下，精準(zhǔn)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(zhì)材料——藍(lán)寶石。

研究團(tuán)隊(duì)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分子間作用力，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。在極低的氧氣氛圍下，氧原子可控的、逐層插入到單晶金屬鋁表面的晶格中，并且維持其晶格結(jié)構(gòu)。由此，在單晶金屬鋁表面形成穩(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。

傳統(tǒng)的氧化鋁材料通常呈現(xiàn)無(wú)序結(jié)構(gòu)，這種無(wú)序會(huì)導(dǎo)致其在極薄層面上的絕緣性能大幅下降。而藍(lán)寶石的單晶結(jié)構(gòu)則為其帶來(lái)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(guò)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泄漏，從而顯著提高芯片的能效。

論文通訊作者、上海微系統(tǒng)所田子傲研究員表示：“與非晶材料相比，單晶氧化鋁柵介質(zhì)材料在結(jié)構(gòu)和電子性能上具有明顯優(yōu)勢(shì)，是基于二維半導(dǎo)體材料晶體管的理想介質(zhì)材料。其態(tài)密度降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，相較于傳統(tǒng)界面有了顯著改善。”

新材料助力芯片功耗顯著降低

新人造藍(lán)寶石的性能讓科研團(tuán)隊(duì)倍感振奮。他們將這一介質(zhì)材料應(yīng)用于半導(dǎo)體芯片制程中，結(jié)合二維材料，制備出低功耗芯片器件。通過(guò)采用這種新型材料，芯片的功耗顯著降低，續(xù)航能力和運(yùn)行效率得到了大幅提升。

“硅基集成電路芯片長(zhǎng)期使用非晶二氧化硅作為柵介質(zhì)材料。此次開(kāi)拓性研制出單晶氧化物作為二維晶體管的柵介質(zhì)材料并成功實(shí)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(zhì)材料?！钡以龇逭f(shuō)，該研究成果不僅對(duì)智能手機(jī)的電池續(xù)航具有重要意義，還將為人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的低功耗芯片發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支持。隨著5G、邊緣計(jì)算和智能家居等新興技術(shù)的發(fā)展，對(duì)低功耗、高性能芯片的需求不斷增加。此外，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景廣泛，將助力下一代智能設(shè)備的普及。

審核編輯 黃宇