上海微系统所开发出二维低功耗芯片，单晶氧化铝成最关键材料

中国粉体网讯  近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所的科学家成功研制出一种人造蓝宝石作为绝缘介质的晶圆，为开发低功耗芯片提供了重要的技术支撑。这一成果8月7日在国际学术期刊《自然》发表。

芯片中的晶体管数量攀升，介质材料成难题

硅基集成电路是现代技术进步的基石，但在尺寸缩小方面面临着严峻的挑战。当硅基晶体管沟道厚度接近纳米尺度时，特别是小于几纳米，晶体管的性能就会显著下降，进一步持续发展面临物理极限的瓶颈。

研究人员把目光投向了二维半导体材料。二维半导体材料具有高载流子迁移率和抑制短沟道效应等优势，是下一代集成电路芯片的理想沟道材料。三星正致力于将二维半导体材料应用于高频和低功耗芯片制造。台积电正在研究如何将二维半导体材料集成到现有半导体制程中，以提高晶体管的性能和降低功耗。欧盟通过“欧洲芯片法案”，推动二维半导体材料的研究和开发，联合IMEC建成欧洲第一条二维半导体材料先导中试线，促进欧洲在二维半导体领域的前瞻布局和自主创新。

然而，二维半导体沟道材料缺少与之匹配的高质量栅介质材料，当传统的介质材料厚度减小到纳米级别时，其绝缘性能会显著下降，导致电流泄漏。导致二维晶体管实际性能与理论存在较大差异。

单晶氧化铝有妙用

中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员狄增峰介绍，以前的介质材料主要是用非晶的材料来做，他们这次发明主要是发明了晶体的介质材料，通过插层氧化的技术对单晶铝进行氧化，实现了单晶氧化铝作为介质材料，它在1纳米下能够实现非常低的泄漏电流。

上图为一个最典型的器件结构，下面是锗的半导体材料，中间是介质，上面是金属，中间薄薄的一层只有约2纳米，是人工合成的蓝宝石。界面非常清晰，光滑的界面有助于限制漏电流的产生。

田子傲研究员介绍，“与非晶材料相比，单晶氧化铝栅介质材料在结构和电子性能上具有明显优势，是基于二维半导体材料晶体管的理想介质材料。其态密度降低了两个数量级，相较于传统界面有了显著改善。”

狄增峰研究员介绍，“硅基集成电路芯片长期使用非晶二氧化硅作为栅介质材料，从2005年，非晶高介电常数栅介质材料开始使用，进一步提升栅控能力。因此，栅介质材料一般认为是非晶材料，此次开拓性研制出单晶氧化物作为二维晶体管的栅介质材料并成功实现二维低功耗芯片，有望启发集成电路产业界发展新一代栅介质材料”。

据介绍，通过采用这种新型材料，科研团队目前已成功制备出低功耗芯片器件，续航能力和运行效率得到大幅提升。这一成果不仅对智能手机的电池续航具有重要意义，还为人工智能、物联网等领域的低功耗芯片发展提供了有力支持。

信息来源：央视财经、上海科技

（中国粉体网编辑整理/山川）

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