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成果效果圖。研究團(tuán)隊(duì)供圖

本報(bào)訊（見習(xí)記者江慶齡）8月7日，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)，在面向低功耗二維集成電路的單晶金屬氧化物柵介質(zhì)晶圓研制方面取得突破性進(jìn)展。相關(guān)研究發(fā)表于《自然》。

硅基集成電路是現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)步的基石，但在尺寸縮小方面面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。二維半導(dǎo)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。然而，二維半導(dǎo)體溝道材料缺少與之匹配的高質(zhì)量柵介質(zhì)材料，導(dǎo)致二維晶體管實(shí)際性能與理論存在較大差異。

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了單晶金屬插層氧化技術(shù)，在室溫下實(shí)現(xiàn)單晶氧化鋁（c-Al2O3）柵介質(zhì)材料晶圓制備，并應(yīng)用于先進(jìn)二維低功耗芯片的開發(fā)。以鍺基石墨烯晶圓作為預(yù)沉積襯底生長單晶金屬Al（111），利用石墨烯與單晶金屬Al（111）之間較弱的范德華作用力，研究人員實(shí)現(xiàn)了4英寸單晶金屬Al（111）晶圓無損剝離，剝離后單晶金屬Al（111）表面呈現(xiàn)無缺陷的原子級平整。在極低的氧氣氛圍下，氧原子可控地逐層插入到單晶金屬Al（111）表面的晶格中，并且維持其晶格結(jié)構(gòu)，從而在單晶金屬Al（111）表面形成穩(wěn)定、化學(xué)計(jì)量比準(zhǔn)確、原子級厚度均勻的c-Al2O3（0001）薄膜晶圓。進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)利用自對準(zhǔn)工藝，成功制備出低功耗c-Al2O3/MoS2晶體管陣列。晶體管陣列具有良好的性能一致性，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（IRDS）對未來低功耗芯片的要求。

論文通訊作者田子傲介紹：“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(dǎo)體材料晶體管的理想介質(zhì)材料。其態(tài)密度降低了兩個(gè)數(shù)量級，相較于傳統(tǒng)界面有顯著改善。”

論文通訊作者狄增峰指出：“柵介質(zhì)材料一般被認(rèn)為是非晶材料。此次研制出單晶氧化物作為二維晶體管的柵介質(zhì)材料并成功研發(fā)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。”

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07786-2