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我國科學家開發(fā)出面向新型芯片的絕緣材料
2024年08月12日 13:30:01 來源:化工儀器網(wǎng) 點擊量:4404

中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)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。

  【化工儀器網(wǎng) 時事熱點】隨著芯片技術(shù)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(guān)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(guān)鍵。
 
  中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)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(shù)期刊《自然》,標志著我國在新型芯片絕緣材料領(lǐng)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(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,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(yīng)對該難題,團隊創(chuàng)新開發(fā)出原位插層氧化技術(shù)。該技術(shù)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(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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