人造蓝宝石晶体介质助力低功耗芯片发展
人造蓝宝石晶体介质助力低功耗芯片发展
导读：随着电子设备的不断小型化和性能提升，芯片中的晶体管数量持续增加，尺寸日益缩小。然而，这带来了新的技术挑战，尤其是在介质材料方面。中国科学院上海微系统所狄增峰团队开发了一种创新的金属插层氧化技术，成功解决了这一难题。
随着电子设备不断小型化和性能要求的提升，芯片中的晶体管数量持续增加，尺寸也日益缩小。这一趋势使得现代电子产品在便携性和功能性上都取得了显著进步。然而，晶体管尺寸的缩小同时带来了新的技术挑战，尤其是在介质材料方面。电子芯片中的介质材料主要起到绝缘的作用，但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。这不仅增加了芯片的能耗，还导致发热量上升，影响了设备的稳定性和使用寿命。
为了解决这一难题，中国科学院上海微系统所狄增峰团队开发了一种创新的金属插层氧化技术。这项技术的核心在于其能够在室温下，精准操控氧原子逐层嵌入铝的晶格中，形成有序的单晶氧化铝介质材料——蓝宝石。传统的氧化铝材料通常呈现无序结构，这种无序会导致其在极薄层面上的绝缘性能大幅下降。而蓝宝石的单晶结构则为其带来了更高的电子迁移率和更低的电流泄漏率。这种材料在微观层面上的有序排列，确保了电子在传输过程中的稳定性，使得即使在仅有1纳米的厚度下，依然能够有效阻止电流的泄漏，从而显著提高了芯片的能效。
这种材料已成功应用于半导体芯片制程中，结合二维材料，制备出低功耗芯片器件。缺陷密度低至Dit = 8.4 × 109 cm-2eV-1，漏电流J < 1 × 10-6 A cm2，均满足IRDS对未来低功耗晶体管的要求。
通过采用这种新型材料，芯片的功耗显著降低，续航能力和运行效率得到了大幅提升。这一进展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强有力的支持。
相关成果以“面向顶栅结构二维晶体管的单晶金属氧化物栅介质材料（Single-crystalline metal-oxide dielectrics for top-gate 2D transistors）”为题，于2024年8月7日在线发表于《自然》（Nature）。中国中央电视台CCTV2、CCTV13以《我国科学家成功开发人造蓝宝石介质晶圆》为题进行专题报道。Nature以“Ultrathin sapphire synthesized for advanced 2D electronics”为发表RESEARCH BRIEFINGS介绍该工作，认为是对二维材料电子的器件从实验室进入到规模生产重要进步。文章中，Nature主编Karl Ziemelis评价说“实现单晶介质生长，证明了二维顶栅器件的优异性能，促进了二维电子器件的发展”。维也纳大学世界知名介质材料专家，IEEE fellow Tibor Grasser教授，评论说“解决了二维材料和介质之间界面问题，提出了全新的技术路线，更具有普适性。”