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  • 我國科學(xué)家開發(fā)出面向新型芯片的絕緣材料

    • 來源:新華社
    • 2024-08-08

    作為組成芯片的基本元件,晶體管的尺寸隨著芯片縮小不斷接近物理極限,其中發(fā)揮著絕緣作用的柵介質(zhì)材料十分關(guān)鍵。中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員狄增峰團(tuán)隊(duì)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(lán)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(shí),也能有效阻止電流泄漏。相關(guān)成果8月7日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》。

    中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所成果登上《自然》。(海報(bào)由受訪團(tuán)隊(duì)提供)

    “二維集成電路是一種新型芯片,用厚度僅為1個(gè)或幾個(gè)原子層的二維半導(dǎo)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(shí)際性能與理論相比尚存較大差異。”中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)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(shí),絕緣性能會(huì)下降,進(jìn)而導(dǎo)致電流泄漏,增加芯片的能耗和發(fā)熱量。為應(yīng)對該難題,團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新開發(fā)出原位插層氧化技術(shù)。

    “原位插層氧化技術(shù)的核心在于精準(zhǔn)控制氧原子一層一層有序嵌入金屬元素的晶格中。”中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員田子傲說,“傳統(tǒng)氧化鋁材料通常呈無序結(jié)構(gòu),這會(huì)導(dǎo)致其在極薄層面上的絕緣性能大幅下降。”

    氧化鋁薄膜晶圓。(受訪團(tuán)隊(duì)供圖)

    具體來看,團(tuán)隊(duì)首先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范德華作用力,實(shí)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(xué)計(jì)量比準(zhǔn)確、原子級厚度均勻的氧化鋁薄膜晶圓。

    狄增峰介紹,團(tuán)隊(duì)成功以單晶氧化鋁為柵介質(zhì)材料制備出低功耗的晶體管陣列,晶體管陣列具有良好的性能一致性。晶體管的擊穿場強(qiáng)、柵漏電流、界面態(tài)密度等指標(biāo)均滿足國際器件與系統(tǒng)路線圖對未來低功耗芯片的要求,有望啟發(fā)業(yè)界發(fā)展新一代柵介質(zhì)材料。

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