科学家开发面向二维集成电路的单晶金属氧化物栅介质晶圆

8月7日，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）研究员狄增峰团队，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，相关研究发表于《自然》。

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。二维半导体材料具有高载流子迁移率和抑制短沟道效应等优势，是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。

研究团队开发了单晶金属插层氧化技术，在室温下实现单晶氧化铝（c-Al₂O₃）栅介质材料晶圆制备，并应用于先进二维低功耗芯片的开发。以锗基石墨烯晶圆作为预沉积衬底生长单晶金属Al（111），利用石墨烯与单晶金属Al（111）之间较弱的范德华作用力，研究人员实现了4英寸单晶金属Al（111）晶圆无损剥离，剥离后单晶金属Al（111）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Al（111）表面的晶格中，并且维持其晶格结构。从而，在单晶金属Al（111）表面形成稳定、化学计量比准确、原子级厚度均匀的c-Al₂O₃（0001）薄膜晶圆。进一步，研究团队利用自对准工艺，成功制备出低功耗c-Al₂O₃/MoS₂晶体管阵列。晶体管阵列具有良好的性能一致性，击穿场强、栅漏电流、界面态密度等指标均满足国际器件与系统路线图（IRDS）对未来低功耗芯片要求。

成果图示。图片由科研团队提供

通讯作者、上海微系统所研究员田子傲介绍：“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，相较于传统界面有显著改善。”

通讯作者狄增峰指出：“栅介质材料一般认为是非晶材料，此次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”。