中國粉體網(wǎng)訊 近日，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的科學家成功研制出一種人造藍寶石作為絕緣介質(zhì)的晶圓，為開發(fā)低功耗芯片提供了重要的技術(shù)支撐。這一成果8月7日在國際學術(shù)期刊《自然》發(fā)表。
芯片中的晶體管數(shù)量攀升，介質(zhì)材料成難題
硅基集成電路是現(xiàn)代技術(shù)進步的基石，但在尺寸縮小方面面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。當硅基晶體管溝道厚度接近納米尺度時，特別是小于幾納米，晶體管的性能就會顯著下降，進一步持續(xù)發(fā)展面臨物理極限的瓶頸。
研究人員把目光投向了二維半導體材料。二維半導體材料具有高載流子遷移率和抑制短溝道效應(yīng)等優(yōu)勢，是下一代集成電路芯片的理想溝道材料。三星正致力于將二維半導體材料應(yīng)用于高頻和低功耗芯片制造。臺積電正在研究如何將二維半導體材料集成到現(xiàn)有半導體制程中，以提高晶體管的性能和降低功耗。歐盟通過“歐洲芯片法案”，推動二維半導體材料的研究和開發(fā)，聯(lián)合IMEC建成歐洲第一條二維半導體材料先導中試線，促進歐洲在二維半導體領(lǐng)域的前瞻布局和自主創(chuàng)新。
然而，二維半導體溝道材料缺少與之匹配的高質(zhì)量柵介質(zhì)材料，當傳統(tǒng)的介質(zhì)材料厚度減小到納米級別時，其絕緣性能會顯著下降，導致電流泄漏。導致二維晶體管實際性能與理論存在較大差異。
單晶氧化鋁有妙用
中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員狄增峰介紹，以前的介質(zhì)材料主要是用非晶的材料來做，他們這次發(fā)明主要是發(fā)明了晶體的介質(zhì)材料，通過插層氧化的技術(shù)對單晶鋁進行氧化，實現(xiàn)了單晶氧化鋁作為介質(zhì)材料，它在1納米下能夠?qū)崿F(xiàn)非常低的泄漏電流。
上圖為一個最典型的器件結(jié)構(gòu)，下面是鍺的半導體材料，中間是介質(zhì)，上面是金屬，中間薄薄的一層只有約2納米，是人工合成的藍寶石。界面非常清晰，光滑的界面有助于限制漏電流的產(chǎn)生。
田子傲研究員介紹，“與非晶材料相比，單晶氧化鋁柵介質(zhì)材料在結(jié)構(gòu)和電子性能上具有明顯優(yōu)勢，是基于二維半導體材料晶體管的理想介質(zhì)材料。其態(tài)密度降低了兩個數(shù)量級，相較于傳統(tǒng)界面有了顯著改善。”
狄增峰研究員介紹，“硅基集成電路芯片長期使用非晶二氧化硅作為柵介質(zhì)材料，從2005年，非晶高介電常數(shù)柵介質(zhì)材料開始使用，進一步提升柵控能力。因此，柵介質(zhì)材料一般認為是非晶材料，此次開拓性研制出單晶氧化物作為二維晶體管的柵介質(zhì)材料并成功實現(xiàn)二維低功耗芯片，有望啟發(fā)集成電路產(chǎn)業(yè)界發(fā)展新一代柵介質(zhì)材料”。
據(jù)介紹，通過采用這種新型材料，科研團隊目前已成功制備出低功耗芯片器件，續(xù)航能力和運行效率得到大幅提升。這一成果不僅對智能手機的電池續(xù)航具有重要意義，還為人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的低功耗芯片發(fā)展提供了有力支持。
信息來源：央視財經(jīng)、上海科技
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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