記者8日從中國科學院上海微系統與信息技術研究所獲悉，該所狄增峰研究員團隊研發出面向二維集成電路的單晶氧化鋁柵介質材料——人造藍寶石。這種材料具有卓越的絕緣性能，未來可用于開發低功耗芯片。相關成果7日發表在國際學術期刊《自然》上。

二維集成電路采用厚度僅為1個或幾個原子層的二維半導體材料構建，是下一代集成電路芯片的理想溝道材料。但由于缺少高質量的柵介質材料，其實際性能與理論相比尚存在較大差距。

“傳統的柵介質材料在厚度減小到納米級別時，其與二維半導體溝道材料間的界面特性，會導致電流泄漏，增加芯片的能耗和發熱量。單晶柵介質材料能形成完美界面，但通常需要較高的工藝溫度，易對二維半導體材料造成損傷，也難以達成理想的絕緣效果。”狄增峰說。而他們開發的單晶氧化鋁柵介質材料，即使在厚度僅為1納米時，也能有效阻止電流泄漏。

氧化鋁為藍寶石的主要構成材料。傳統氧化鋁材料通常呈無序結構，在極薄層面上的絕緣性能不佳。團隊采用單晶金屬插層氧化技術，在室溫下精準控制氧原子一層一層地有序嵌入金屬元素的晶格中，最終得到穩定、化學計量比準確、原子級厚度均勻的氧化鋁薄膜晶圓。

團隊以單晶氧化鋁為柵介質材料，成功制備出了低功耗的晶體管陣列。該晶體管陣列不僅具有良好的性能一致性，且晶體管的擊穿場強、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，有望為業界發展新一代柵介質材料提供借鑒。