上海科學(xué)家精準操控原子“人造”藍寶石 為低功耗芯片研制開辟新路

當芯片中的晶體管隨著摩爾定律向納米級不斷縮小時，發(fā)揮絕緣作用的介質(zhì)材料卻因為厚度縮小而性能快速降低。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。

如今，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所（以下簡稱“上海微系統(tǒng)所”）狄增峰研究員團隊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展。他們使用創(chuàng)新技術(shù)研制的人造藍寶石，可以在1納米的厚度下，依然有效實現(xiàn)絕緣。這將讓超長時間續(xù)航的智能手機，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)進步的基石，但在尺寸縮小方面面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。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(xù)發(fā)展面臨物理極限的瓶頸。

究其原因，很重要的一點是晶體管尺寸的縮小同時帶來了介質(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，但當傳統(tǒng)的介質(zhì)材料厚度減小到納米級別時，其絕緣性能會顯著下降，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)致二維晶體管實際性能與理論存在較大差異。無論是傳統(tǒng)硅基非晶柵介質(zhì)材料，還是單晶柵介質(zhì)材料，都無法滿足未來先進低功耗芯片發(fā)展要求。

人造藍寶石可有效阻止電流泄漏

面對集成電路產(chǎn)業(yè)中的這一巨大挑戰(zhàn)，上海微系統(tǒng)所狄增峰研究員團隊開發(fā)了一種創(chuàng)新的單晶金屬插層氧化技術(shù)。這項技術(shù)的核心在于其能夠在室溫下，精準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——藍寶石。

研究團隊以鍺基石墨烯晶圓作為預(yù)沉積襯底生長單晶金屬鋁，利用石墨烯與單晶金屬鋁之間較弱的分子間作用力，實現(xiàn)4英寸單晶金屬鋁晶圓無損剝離，剝離后單晶金屬鋁表面呈現(xiàn)無缺陷的原子級平整。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)計量比準確、原子級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)無序結(jié)構(gòu)，這種無序會導(dǎo)致其在極薄層面上的絕緣性能大幅下降。而藍寶石的單晶結(jié)構(gòu)則為其帶來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，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)密度降低了兩個數(shù)量級，相較于傳統(tǒng)界面有了顯著改善?！?/p>

新材料助力芯片功耗顯著降低

新人造藍寶石的性能讓科研團隊倍感振奮。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。通過采用這種新型材料，芯片的功耗顯著降低，續(xù)航能力和運行效率得到了大幅提升。

“硅基集成電路芯片長期使用非晶二氧化硅作為柵介質(zhì)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(zhì)材料并成功實現(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，該研究成果不僅對智能手機的電池續(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)展提供了強有力的支持。隨著5G、邊緣計算和智能家居等新興技術(shù)的發(fā)展，對低功耗、高性能芯片的需求不斷增加。此外，這項技術(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