上海科学家精准操控原子“人造”蓝宝石 为低功耗芯片研制开辟新路

当芯片中的晶体管随着摩尔定律向纳米级不断缩小时，发挥绝缘作用的介质材料却因为厚度缩小而性能快速降低。如何为更小的晶体管匹配更佳的介质材料，成为集成电路领域科学家们的苦苦追寻的目标。

如今，中国科学院上海微系统与信息技术研究所（以下简称“上海微系统所”）狄增峰研究员团队在面向低功耗二维集成电路的单晶金属氧化物栅介质晶圆研制方面取得突破性进展。他们使用创新技术研制的人造蓝宝石，可以在1纳米的厚度下，依然有效实现绝缘。这将让超长时间续航的智能手机，或是超低功耗的芯片，都成为可能。相关论文8月7日登上国际学术期刊《自然》。

纳米晶体管与传统介质材料的矛盾难以调和

硅基集成电路是现代技术进步的基石，但在尺寸缩小方面面临着严峻的挑战。当硅基晶体管沟道厚度接近纳米尺度时，特别是小于几纳米，晶体管的性能就会显著下降，进一步持续发展面临物理极限的瓶颈。

究其原因，很重要的一点是晶体管尺寸的缩小同时带来了介质材料方面的巨大挑战。电子芯片中的介质材料主要起到绝缘的作用，但当传统的介质材料厚度减小到纳米级别时，其绝缘性能会显著下降，导致电流泄漏。这不仅增加了芯片的能耗，还导致发热量上升，影响了设备的稳定性和使用寿命。

具有高载流子迁移率和抑制短沟道效应等优势的二维半导体材料，被业界看作下一代集成电路芯片的理想沟道材料。然而，二维半导体沟道材料同样缺少与之匹配的高质量栅介质材料，导致二维晶体管实际性能与理论存在较大差异。无论是传统硅基非晶栅介质材料，还是单晶栅介质材料，都无法满足未来先进低功耗芯片发展要求。

人造蓝宝石可有效阻止电流泄漏

面对集成电路产业中的这一巨大挑战，上海微系统所狄增峰研究员团队开发了一种创新的单晶金属插层氧化技术。这项技术的核心在于其能够在室温下，精准操控氧原子逐层嵌入铝的晶格中，形成有序的单晶氧化铝介质材料——蓝宝石。

研究团队以锗基石墨烯晶圆作为预沉积衬底生长单晶金属铝，利用石墨烯与单晶金属铝之间较弱的分子间作用力，实现4英寸单晶金属铝晶圆无损剥离，剥离后单晶金属铝表面呈现无缺陷的原子级平整。在极低的氧气氛围下，氧原子可控的、逐层插入到单晶金属铝表面的晶格中，并且维持其晶格结构。由此，在单晶金属铝表面形成稳定、化学计量比准确、原子级厚度均匀的氧化铝薄膜晶圆。

传统的氧化铝材料通常呈现无序结构，这种无序会导致其在极薄层面上的绝缘性能大幅下降。而蓝宝石的单晶结构则为其带来了更高的电子迁移率和更低的电流泄漏率。这种材料在微观层面上的有序排列，确保了电子在传输过程中的稳定性，使得即使在仅有1纳米的厚度下，依然能够有效阻止电流泄漏，从而显著提高芯片的能效。

论文通讯作者、上海微系统所田子傲研究员表示：“与非晶材料相比，单晶氧化铝栅介质材料在结构和电子性能上具有明显优势，是基于二维半导体材料晶体管的理想介质材料。其态密度降低了两个数量级，相较于传统界面有了显著改善。”

新材料助力芯片功耗显著降低

新人造蓝宝石的性能让科研团队倍感振奋。他们将这一介质材料应用于半导体芯片制程中，结合二维材料，制备出低功耗芯片器件。通过采用这种新型材料，芯片的功耗显著降低，续航能力和运行效率得到了大幅提升。

“硅基集成电路芯片长期使用非晶二氧化硅作为栅介质材料。此次开拓性研制出单晶氧化物作为二维晶体管的栅介质材料并成功实现二维低功耗芯片，有望启发集成电路产业界发展新一代栅介质材料。”狄增峰说，该研究成果不仅对智能手机的电池续航具有重要意义，还将为人工智能、物联网等领域的低功耗芯片发展提供了强有力的支持。随着5G、边缘计算和智能家居等新兴技术的发展，对低功耗、高性能芯片的需求不断增加。此外，这项技术的应用前景广泛，将助力下一代智能设备的普及。

审核编辑 黄宇