中國粉體網訊 近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所的科學家成功研制出一種人造藍寶石作為絕緣介質的晶圓，為開發低功耗芯片提供了重要的技術支撐。這一成果8月7日在國際學術期刊《自然》發表。
芯片中的晶體管數量攀升，介質材料成難題
硅基集成電路是現代技術進步的基石，但在尺寸縮小方面面臨著嚴峻的挑戰。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，進一步持續發展面臨物理極限的瓶頸。
研究人員把目光投向了二維半導體材料。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勢，是下一代集成電路芯片的理想溝道材料。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，聯合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，當傳統的介質材料厚度減小到納米級別時，其絕緣性能會顯著下降，導致電流泄漏。導致二維晶體管實際性能與理論存在較大差異。
單晶氧化鋁有妙用
中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員狄增峰介紹，以前的介質材料主要是用非晶的材料來做，他們這次發明主要是發明了晶體的介質材料，通過插層氧化的技術對單晶鋁進行氧化，實現了單晶氧化鋁作為介質材料，它在1納米下能夠實現非常低的泄漏電流。
上圖為一個最典型的器件結構，下面是鍺的半導體材料，中間是介質，上面是金屬，中間薄薄的一層只有約2納米，是人工合成的藍寶石。界面非常清晰，光滑的界面有助于限制漏電流的產生。
田子傲研究員介紹，“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勢，是基于二維半導體材料晶體管的理想介質材料。其態密度降低了兩個數量級，相較于傳統界面有了顯著改善。”
狄增峰研究員介紹，“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二維低功耗芯片，有望啟發集成電路產業界發展新一代柵介質材料”。
據介紹，通過采用這種新型材料，科研團隊目前已成功制備出低功耗芯片器件，續航能力和運行效率得到大幅提升。這一成果不僅對智能手機的電池續航具有重要意義，還為人工智能、物聯網等領域的低功耗芯片發展提供了有力支持。
信息來源：央視財經、上海科技
（中國粉體網編輯整理/山川）
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