作为芯片的关键构成基础元件，晶体管的尺寸伴随芯片的不断缩小正逐步逼近物理极限，而其中起着绝缘关键作用的栅介质材料至关重要。中国科学院上海微系统与信息技术研究所的狄增峰研究员团队成功研制出适用于二维集成电路的单晶氧化铝栅介质材料 —— 人造蓝宝石，该材料具备极为出色的绝缘特性，即便其厚度仅为 1 纳米，依然能有力地阻挡电流泄漏。相关成果于 8 月 7 日在国际学术期刊《自然》上得以发表。

   “二维集成电路属于一种新型芯片，其构建采用的是厚度仅为单个或几个原子层的二维半导体材料，有希望突破传统芯片所面临的物理极限。然而，由于缺乏与之相适配的高质量栅介质材料，其实际性能与理论预期相比仍存在较大差距。” 中国科学院上海微系统与信息技术研究所的狄增峰研究员表示。

   狄增峰指出，传统的栅介质材料在厚度降低至纳米级别时，其绝缘性能会显著降低，进而引发电流泄漏，致使芯片的能耗增加以及发热量上升。为解决这一难题，团队创新性地研发出原位插层氧化技术。

   “原位插层氧化技术的关键要点在于精确地把控氧原子一层一层有秩序地嵌入到金属元素的晶格当中。” 中国科学院上海微系统与信息技术研究所的田子傲研究员说道，“传统的氧化铝材料一般呈现无序结构，这会致使其在极薄层面上的绝缘性能大幅减弱。”

   具体而言，团队首先选取锗基石墨烯晶圆作为预沉积的衬底来生长单晶金属铝，借助石墨烯与单晶金属铝之间较弱的范德华力，实现了 4 英寸单晶金属铝晶圆的无损剥离，剥离后的单晶金属铝表面呈现出毫无缺陷的原子级平整状态。接着，在极低的氧气环境氛围下，让氧原子逐层级地嵌入到单晶金属铝表面的晶格之中，最终成功获取到稳定、化学计量比精准、原子级厚度均匀的氧化铝薄膜晶圆。

   狄增峰介绍道，团队以单晶氧化铝作为栅介质材料顺利制备出了低功耗的晶体管阵列，该晶体管阵列具有优良的性能一致性。晶体管的击穿场强、栅漏电流、界面态密度等指标均符合国际器件与系统路线图对未来低功耗芯片的要求，有望为业界研发新一代栅介质材料提供新的思路和启示。

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