隨著芯片技術的不斷發(fā)展，晶體管的尺寸不斷縮小，已逐漸接近物理極限。在這一背景下，柵介質(zhì)材料作為芯片中的關鍵絕緣元件，其性能對芯片的整體性能具有重要影響。

　　然而，傳統(tǒng)的柵介質(zhì)材料在厚度減小到納米級別時，絕緣性能會顯著下降，導致電流泄漏、芯片能耗增加和發(fā)熱量上升。因此，開發(fā)新型的高質(zhì)量柵介質(zhì)材料成為解決這一問題的關鍵。

　　中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所的研究員狄增峰團隊成功開發(fā)出面向二維集成電路的單晶氧化鋁柵介質(zhì)材料——人造藍寶石。這種材料具有卓越的絕緣性能，即使在厚度僅為1納米時，也能有效阻止電流泄漏。

　　這一成果于2024年8月7日發(fā)表于國際學術期刊《自然》，標志著我國在新型芯片絕緣材料領域取得了重要進展。

　　“二維集成電路是一種新型芯片，用厚度僅為1個或幾個原子層的二維半導體材料構(gòu)建，有望突破傳統(tǒng)芯片的物理極限。但由于缺少與之匹配的高質(zhì)量柵介質(zhì)材料，其實際性能與理論相比尚存較大差異。”中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所研究員狄增峰說。

　　狄增峰表示，傳統(tǒng)的柵介質(zhì)材料在厚度減小到納米級別時，絕緣性能會下降，進而導致電流泄漏，增加芯片的能耗和發(fā)熱量。為應對該難題，團隊創(chuàng)新開發(fā)出原位插層氧化技術。

　　該技術的核心在于精準控制氧原子一層一層有序嵌入金屬元素的晶格中，從而得到穩(wěn)定、化學計量比準確、原子級厚度均勻的氧化鋁薄膜晶圓。與傳統(tǒng)的無序結(jié)構(gòu)氧化鋁材料相比，這種有序結(jié)構(gòu)的氧化鋁材料在極薄層面上的絕緣性能得到了顯著提升。

　　具體來看，團隊首先以鍺基石墨烯晶圓作為預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范德華作用力，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。

　　隨后，在極低的氧氣氛圍下，氧原子逐層嵌入單晶金屬鋁表面的晶格中，最終得到穩(wěn)定、化學計量比準確、原子級厚度均勻的氧化鋁薄膜晶圓。

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