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記者8日從中國科學院上海微系統與信息技術研究所獲悉，該所狄增峰研究員團隊研發(fā)出面向二維集成電路的單晶氧化鋁柵介質材料——人造藍寶石。這種材料具有卓越的絕緣性能，未來可用于開發(fā)低功耗芯片。相關成果7日發(fā)表在國際學術期刊《自然》上。
二維集成電路采用厚度僅為1個或幾個原子層的二維半導體材料構建，是下一代集成電路芯片的理想溝道材料。但由于缺少高質量的柵介質材料，其實際性能與理論相比尚存在較大差距。
“傳統的柵介質材料在厚度減小到納米級別時，其與二維半導體溝道材料間的界面特性，會導致電流泄漏，增加芯片的能耗和發(fā)熱量。單晶柵介質材料能形成完美界面，但通常需要較高的工藝溫度，易對二維半導體材料造成損傷，也難以達成理想的絕緣效果。”狄增峰說。而他們開發(fā)的單晶氧化鋁柵介質材料，即使在厚度僅為1納米時，也能有效阻止電流泄漏。
氧化鋁為藍寶石的主要構成材料。傳統氧化鋁材料通常呈無序結構，在極薄層面上的絕緣性能不佳。團隊采用單晶金屬插層氧化技術，在室溫下精準控制氧原子一層一層地有序嵌入金屬元素的晶格中，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。
團隊以單晶氧化鋁為柵介質材料，成功制備出了低功耗的晶體管陣列。該晶體管陣列不僅具有良好的性能一致性，且晶體管的擊穿場強、柵漏電流、界面態(tài)密度等指標均滿足國際器件與系統路線圖對未來低功耗芯片的要求，有望為業(yè)界發(fā)展新一代柵介質材料提供借鑒。
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