摘要：傳統(tǒng)介質(zhì)材料厚度減小到納米級(jí)別，絕緣性能會(huì)顯著下降

隨著電子設(shè)備不斷小型化和性能要求的提升，芯片中的晶體管數(shù)量持續(xù)增加，尺寸也日益縮小。然而，當(dāng)傳統(tǒng)的介質(zhì)材料厚度減小到納米級(jí)別時(shí)，其絕緣性能會(huì)顯著下降，導(dǎo)致電流泄漏。這不僅增加了芯片的能耗，還導(dǎo)致發(fā)熱量上升，影響設(shè)備的穩(wěn)定性和使用壽命。
為了解決這一難題，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所集成電路材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室狄增峰研究員團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)了一種創(chuàng)新的金屬插層氧化技術(shù)，形成藍(lán)寶石晶體介質(zhì)，并用于二維低功耗芯片的開(kāi)發(fā)，顯著提高了芯片的能效。2024年8月7日，這一突破性進(jìn)展發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》。

二維半導(dǎo)體材料是下一代集成電路芯片的理想材料。眼下，三星公司正致力于將二維半導(dǎo)體材料應(yīng)用于高頻和低功耗芯片制造；臺(tái)積電公司正在研究如何將二維半導(dǎo)體材料集成到現(xiàn)有半導(dǎo)體制程中，以提高晶體管的性能和降低功耗；歐盟通過(guò)“歐洲芯片法案”，聯(lián)合比利時(shí)微電子研究中心建成歐洲第一條二維半導(dǎo)體材料先導(dǎo)中試線。狄增峰團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的金屬插層氧化技術(shù)，能夠在室溫下精準(zhǔn)操控氧原子逐層嵌入鋁的晶格中，形成有序的單晶氧化鋁介質(zhì)材料——藍(lán)寶石。傳統(tǒng)的氧化鋁材料通常呈現(xiàn)無(wú)序結(jié)構(gòu)，這種無(wú)序會(huì)導(dǎo)致其在極薄層面上的絕緣性能大幅下降。而藍(lán)寶石的單晶結(jié)構(gòu)，不僅帶來(lái)了更高的電子遷移率和更低的電流泄漏率，還確保了電子在傳輸過(guò)程中的穩(wěn)定性，即使僅有1納米厚度，依然能夠有效阻止電流的泄漏，從而顯著提高了芯片的能效。這一材料已成功應(yīng)用于半導(dǎo)體芯片制程中，結(jié)合二維材料制備出低功耗芯片器件，續(xù)航能力和運(yùn)行效率得到了大幅提升。這一進(jìn)展不僅對(duì)智能手機(jī)的電池續(xù)航具有重要意義，還為人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的低功耗芯片發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支持。隨著5G、邊緣計(jì)算和智能家居等新興技術(shù)的發(fā)展，對(duì)低功耗、高性能芯片的需求不斷增加，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景廣泛，可助力下一代智能設(shè)備的普及。 

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