上海微系統所開發出面向二維集成電路的單晶金屬氧化物柵介質晶圓

中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員狄增峰團隊在面向低功耗二維集成電路的單晶金屬氧化物柵介質晶圓研制方面取得進展。8月7日，相關研究成果以《面向頂柵結構二維晶體管的單晶金屬氧化物柵介質材料》（Single-crystalline metal-oxide dielectrics for top-gate 2D transistors）為題，發表在《自然》（Nature）上。

硅基集成電路是現代技術進步的基石，但在尺寸縮小方面面臨著嚴峻挑戰。當硅基晶體管溝道厚度接近納米尺度時特別是小于幾納米，晶體管的性能會顯著下降，而進一步發展將面臨物理極限。二維半導體材料具有高載流子遷移率和抑制短溝道效應等優勢，是下一代集成電路芯片的理想溝道材料。

然而，二維半導體溝道材料缺少與之匹配的高質量柵介質材料，導致二維晶體管實際性能與理論存在較大差異。傳統硅基非晶柵介質材料表面懸掛鍵較多，與二維半導體材料形成的界面存在大量電子陷阱，影響二維晶體管性能。單晶柵介質材料能夠與二維半導體溝道材料形成完美界面，但單晶柵介質材料生長通常需要較高工藝溫度和后退火處理，易對二維半導體材料造成損傷或無意摻雜，形成非理想柵介質/二維半導體界面，且界面態密度通常高達10¹¹ cm^-2 eV^-1左右，無法滿足未來先進低功耗芯片發展要求。

狄增峰團隊開發出單晶金屬插層氧化技術，室溫下實現單晶氧化鋁（c-Al_2O3）柵介質材料晶圓制備，并應用于先進二維低功耗芯片的開發。研究以鍺基石墨烯晶圓作為預沉積襯底生長單晶金屬Al（111），利用石墨烯與單晶金屬Al（111）之間較弱的范德華作用力，實現4英寸單晶金屬Al（111）晶圓無損剝離，且剝離后單晶金屬Al（111）表面呈現無缺陷的原子級平整。在極低的氧氣氛圍下，氧原子可控的、逐層插入到單晶金屬Al（111）表面的晶格中，并維持其晶格結構，從而在單晶金屬Al（111）表面形成穩定、化學計量比準確、原子級厚度均勻的c-Al₂O₃（0001）薄膜晶圓。進一步，研究利用自對準工藝，制備出低功耗c-Al₂O₃/MoS₂晶體管陣列，且晶體管陣列具有良好的性能一致性。晶體管的擊穿場強、柵漏電流、界面態密度等指標均滿足國際器件與系統路線圖對未來低功耗芯片的要求。

上海微系統所研究員田子傲介紹：“與非晶材料相比，單晶氧化鋁柵介質材料在結構和電子性能上具有明顯優勢，是基于二維半導體材料晶體管的理想介質材料。它的態密度降低了兩個數量級，相較于傳統界面有了顯著改善。”

狄增峰介紹：“硅基集成電路芯片長期使用非晶二氧化硅作為柵介質材料。2005年，非晶高介電常數柵介質材料開始使用，進一步提升了柵控能力。因此，柵介質材料一般認為是非晶材料。此次研制出單晶氧化物作為二維晶體管的柵介質材料并實現二維低功耗芯片，有望啟發集成電路產業界發展新一代柵介質材料。”

上述成果的第一完成單位為上海微系統所。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部、中國科學院、上海市等支持。

論文鏈接

藍寶石單晶（c-Al₂O₃）柵介質薄膜

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基于c-Al₂O₃柵介質的二維MoS₂晶體管性能