随着芯片技术的不断发展，晶体管的尺寸不断缩小，已逐渐接近物理极限。在这一背景下，栅介质材料作为芯片中的关键绝缘元件，其性能对芯片的整体性能具有重要影响。
然而，传统的栅介质材料在厚度减小到纳米级别时，绝缘性能会显著下降，导致电流泄漏、芯片能耗增加和发热量上升。因此，开发新型的高质量栅介质材料成为解决这一问题的关键。
中国科学院上海微系统与信息技术研究所的研究员狄增峰团队成功开发出面向二维集成电路的单晶氧化铝栅介质材料——人造蓝宝石。这种材料具有卓越的绝缘性能，即使在厚度仅为1纳米时，也能有效阻止电流泄漏。
这一成果于2024年8月7日发表于国际学术期刊《自然》，标志着我国在新型芯片绝缘材料领域取得了重要进展。
“二维集成电路是一种新型芯片，用厚度仅为1个或几个原子层的二维半导体材料构建，有望突破传统芯片的物理极限。但由于缺少与之匹配的高质量栅介质材料，其实际性能与理论相比尚存较大差异。”中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员狄增峰说。
狄增峰表示，传统的栅介质材料在厚度减小到纳米级别时，绝缘性能会下降，进而导致电流泄漏，增加芯片的能耗和发热量。为应对该难题，团队创新开发出原位插层氧化技术。
该技术的核心在于精准控制氧原子一层一层有序嵌入金属元素的晶格中，从而得到稳定、化学计量比准确、原子级厚度均匀的氧化铝薄膜晶圆。与传统的无序结构氧化铝材料相比，这种有序结构的氧化铝材料在极薄层面上的绝缘性能得到了显著提升。
具体来看，团队首先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范德华作用力，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。
随后，在极低的氧气氛围下，氧原子逐层嵌入单晶金属铝表面的晶格中，最终得到稳定、化学计量比准确、原子级厚度均匀的氧化铝薄膜晶圆。
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