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面向二維集成電路的單晶金屬氧化物柵介質晶圓問世

文章來源：中國科學報更新時間：2024-08-12 14:20:57

成果效果圖。研究團隊供圖

本報訊（見習記者江慶齡）8月7日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員狄增峰團隊，在面向低功耗二維集成電路的單晶金屬氧化物柵介質晶圓研制方面取得突破性進展。相關研究發表于《自然》。

硅基集成電路是現代技術進步的基石，但在尺寸縮小方面面臨著嚴峻的挑戰。二維半導體材料具有高載流子遷移率和抑制短溝道效應等優勢，是下一代集成電路芯片的理想溝道材料。然而，二維半導體溝道材料缺少與之匹配的高質量柵介質材料，導致二維晶體管實際性能與理論存在較大差異。

研究團隊開發了單晶金屬插層氧化技術，在室溫下實現單晶氧化鋁（c-Al2O3）柵介質材料晶圓制備，并應用于先進二維低功耗芯片的開發。以鍺基石墨烯晶圓作為預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，研究人員實現了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，并且維持其晶格結構，從而在單晶金屬Al（111）表面形成穩定、化學計量比準確、原子級厚度均勻的c-Al2O3（0001）薄膜晶圓。進一步，研究團隊利用自對準工藝，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、柵漏電流、界面態密度等指標均滿足國際器件與系統路線圖（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，單晶氧化鋁柵介質材料在結構和電子性能上具有明顯優勢，是基于二維半導體材料晶體管的理想介質材料。其態密度降低了兩個數量級，相較于傳統界面有顯著改善。”

論文通訊作者狄增峰指出：“柵介質材料一般被認為是非晶材料。此次研制出單晶氧化物作為二維晶體管的柵介質材料并成功研發二維低功耗芯片，有望啟發集成電路產業界發展新一代柵介質材料。”

相關論文信息：

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

《中國科學報》 (2024-08-08 第1版要聞)

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