克服芯片缩微的物理极限：单晶氧化铝栅介质材料的突破

元描述： 突破芯片缩微的物理极限，中国科学院上海微系统与信息技术研究所狄增峰团队开发出面向二维集成电路的单晶氧化铝栅介质材料，这种材料具有卓越的绝缘性能，即使在厚度仅为1纳米时，也能有效阻止电流泄漏。

引言： 摩尔定律似乎正在逐渐失效，芯片的尺寸不断缩小，已经逼近了物理极限。其中，发挥着绝缘作用的栅介质材料是关键。传统的材料在厚度减小到纳米级别时，绝缘性能会下降，导致电流泄漏，增加芯片的能耗和发热量。为了克服这一难题，中国科学院上海微系统与信息技术研究所狄增峰团队开发出了面向二维集成电路的单晶氧化铝栅介质材料。这种材料具有卓越的绝缘性能，即使在厚度仅为1纳米时，也能有效阻止电流泄漏，为突破传统芯片的物理极限开辟了新的道路。

单晶氧化铝：二维集成电路的“守护者”

二维集成电路是一种新型芯片，它利用厚度仅为1个或几个原子层的二维半导体材料构建，有望突破传统芯片的物理极限，实现更高的集成度和更低的功耗。然而，由于缺乏与之匹配的高质量栅介质材料，二维集成电路的实际性能与理论相比存在较大差异。

传统的栅介质材料在厚度减小到纳米级别时，绝缘性能会下降，导致电流泄漏，增加芯片的能耗和发热量，影响芯片的性能和可靠性。因此，开发具有高绝缘性能的纳米级栅介质材料是突破二维集成电路瓶颈的关键。

原位插层氧化技术：精准控制，层层突破

狄增峰团队创新性地开发了原位插层氧化技术，突破了传统氧化铝材料在纳米尺度下绝缘性能下降的难题。这项技术的核心在于精准控制氧原子一层一层有序嵌入金属元素的晶格中。

传统的氧化铝材料通常呈无序结构，这会导致其在极薄层面上的绝缘性能大幅下降。而原位插层氧化技术通过精准控制氧原子嵌入金属元素的晶格，实现了氧化铝材料的单晶结构，从而保证了其在纳米尺度下的高绝缘性能。

单晶金属铝：无损剥离，完美衬底

为了实现原位插层氧化技术的应用，狄增峰团队选择了锗基石墨烯晶圆作为预沉积衬底生长单晶金属铝。石墨烯与单晶金属铝之间较弱的范德华作用力，使得团队能够实现4英寸单晶金属铝晶圆的无损剥离，剥离后单晶金属铝表面呈现无缺陷的原子级平整，为后续的氧化提供了完美的衬底。

精准控制，层层嵌入：单晶氧化铝薄膜的诞生

在极低的氧气氛围下，氧原子逐层嵌入单晶金属铝表面的晶格中，最终得到稳定、化学计量比准确、原子级厚度均匀的氧化铝薄膜晶圆。这种单晶氧化铝薄膜具有卓越的绝缘性能，即使在厚度仅为1纳米时，也能有效阻止电流泄漏，为二维集成电路提供了完美的“守护者”。

低功耗晶体管阵列：性能卓越，未来可期

狄增峰团队利用单晶氧化铝为栅介质材料，成功制备出低功耗的晶体管阵列。该晶体管阵列具有良好的性能一致性，其击穿场强、栅漏电流、界面态密度等指标均满足国际器件与系统路线图对未来低功耗芯片的要求。

单晶氧化铝材料：开启芯片新纪元

狄增峰团队开发的单晶氧化铝栅介质材料为突破传统芯片的物理极限提供了新的解决方案，有望启发业界发展新一代栅介质材料，为芯片技术的进步开辟新的道路。

常见问题解答

1. 为什么单晶氧化铝材料能够有效防止电流泄漏？

单晶氧化铝材料的原子排列有序，形成致密的结构，有效阻止了电流的通过，从而防止了电流泄漏。

2. 原位插层氧化技术与传统氧化技术相比有哪些优势？

原位插层氧化技术能够精准控制氧原子嵌入金属元素的晶格，从而获得单晶结构的氧化铝材料，而传统氧化技术得到的氧化铝材料通常呈无序结构，绝缘性能较差。

3. 为什么选择锗基石墨烯晶圆作为预沉积衬底？

锗基石墨烯晶圆与单晶金属铝之间较弱的范德华作用力，使得能够实现单晶金属铝晶圆的无损剥离，提供无缺陷的衬底，有利于单晶氧化铝材料的生长。

4. 单晶氧化铝材料的应用前景如何？

单晶氧化铝材料有望应用于下一代二维集成电路，为实现更高集成度、更低功耗的芯片提供关键材料支撑。

5. 单晶氧化铝材料的制备成本如何？

目前，单晶氧化铝材料的制备成本较高，但随着技术的不断发展，成本有望降低。

6. 单晶氧化铝材料的未来发展方向是什么？

未来，研究人员将继续探索更高性能的单晶氧化铝材料，并研究其在不同应用场景中的应用，例如柔性电子、高频器件等。

结论

狄增峰团队开发的单晶氧化铝栅介质材料是芯片领域的一项重大突破，为解决芯片缩微带来的物理极限问题提供了新的思路。这种材料的卓越性能和应用前景，有望推动芯片技术的发展，开启芯片新纪元。

致谢

感谢中国科学院上海微系统与信息技术研究所狄增峰团队为本文提供相关信息和资料。