随着电子设备不断小型化和性能要求的提升，芯片中的晶体管数量持续增加，尺寸也日益缩小。这一趋势使得现代电子产品在便携性和功能性上都取得了显著进步。然而，晶体管尺寸的缩小同时带来了新的技术挑战，尤其是在介质材料方面。
为了解决这一难题，中国科研团队开发了一种创新的金属插层氧化技术。8月7日晚间，中国科学院上海微系统与信息技术研究所（下称“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，相关成果以《面向顶栅结构二维晶体管的单晶金属氧化物栅介质材料》（Single-crystalline metal-oxide dielectrics for top-gate 2D transistors）为题，发表于国际学术期刊《自然》。
这一进展不仅对智能手机的电池续航具有重要意义，还为人工智能、物联网等领域的低功耗芯片发展提供了强有力的支持。此外，这项技术的应用前景广泛。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，助力下一代智能设备的普及。
该成果的第一完成单位为中国科学院上海微系统所，第一作者为中国科学院上海微系统所曾道兵博士，中国科学院上海微系统所田子傲研究员、狄增峰研究员为共同通讯作者。研究工作获得国家自然科学基金委员会、科技部、中国科学院、上海市科委等项目的支持。
科研团队对第一财经介绍，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。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。
例如，三星正致力于将二维半导体材料应用于高频和低功耗芯片制造。台积电正在研究如何将二维半导体材料集成到现有半导体制程中，以提高晶体管的性能和降低功耗。欧盟通过“欧洲芯片法案”，推动二维半导体材料的研究和开发，联合IMEC建成欧洲第一条二维半导体材料先导中试线，促进欧洲在二维半导体领域的前瞻布局和自主创新。
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。传统硅基非晶栅介质材料表面悬挂键较多，与二维半导体材料形成的界面存在大量电子陷阱，影响二维晶体管性能。
上海微系统所集成电路材料全国重点实验室狄增峰研究员团队开发了单晶金属插层氧化技术，室温下实现单晶氧化铝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。
这项技术的核心，在于能够在室温下，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。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的泄漏，从而显著提高了芯片的能效。
目前，这一材料已成功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。
“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。”本文通讯作者田子傲研究员介绍道。
本文通讯作者狄增峰研究员补充解释，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，从2005年，非晶高介电常数栅介质材料开始使用，进一步提升栅控能力。因此，栅介质材料一般认为是非晶材料，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。
