我国科学家在下一代芯片沟道材料研究实现突破

8月7日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员狄增峰团队，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。相关研究发表于《自然》。

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。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。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。

研究团队开发了单晶金属插层氧化技术，在室温下实现单晶氧化铝（c-Al₂O₃）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。以锗基石墨烯晶圆作为预沉积衬底生长单晶金属Al（111），利用石墨烯与单晶金属Al（111）之间较弱的范德华作用力，研究人员实现了4英寸单晶金属Al（111）晶圆无损剥离，剥离后单晶金属Al（111）表面呈现无缺陷的原子级平整。在极低的氧气氛围下，氧原子可控地逐层插入到单晶金属Al（111）表面的晶格中，并且维持其晶格结构，从而在单晶金属Al（111）表面形成稳定、化学计量比准确、原子级厚度均匀的c-Al₂O₃（0001）薄膜晶圆。进一步，研究团队利用自对准工艺，成功制备出低功耗c-Al₂O₃/MoS₂晶体管阵列。晶体管阵列具有良好的性能一致性，击穿场强、栅漏电流、界面态密度等指标均满足国际器件与系统路线图（IRDS）对未来低功耗芯片的要求。

论文通讯作者田子傲介绍：“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，相较于传统界面有显著改善。”

论文通讯作者狄增峰指出：“栅介质材料一般被认为是非晶材料。此次研制出单晶氧化物作为二维晶体管的栅介质材料并成功研发二维低功耗芯片，有望启发集成电路产业界发展新一代栅介质材料。”

伴随着新能源、5G、人工智能等新技术的爆发式发展，全球对基于高质量半导体材料的芯片需求猛增，其中第三代半导体受到市场诸多青睐。

除了第三代半导体材料外，还有更多的新兴材料也日益获得关注。2023年的诺贝尔化学奖被授予“发现和合成量子点”的三名科学家。所谓量子点是一类微小颗粒或纳米晶体，即直径在2-10纳米之间的半导体材料，是导带电子、价带空穴及激子在三个空间维度上束缚住的半导体纳米结构。除了在显示和照明领域的应用外，诺贝尔化学奖委员会称，未来量子点还有望在量子计算、柔性电子产品、微小传感器、更薄的太阳能电池等领域做出贡献。

此外，石墨烯等二维材料在半导体领域的应用也受到广泛研究。石墨烯是一个由单层碳原子组成的二维材料，它具有出色的电子迁移率和热导率。这种材料的独特性质为未来的电子设备提供了新的可能性，如超快速的传输器件和高度集成的传感器。

除了材料外，通过其他方面的技术突破，也有望进一步推动半导体技术的进步。李颖锐研究团队近期推出了新一代半导体光子计数成像系统，打破了国外的技术封锁，空间分辨率由毫米级提升到微米级，实现了真正意义的彩色成像。这背后主要依托于团队对影响光子计数应用的三大技术进行了突破，其中包含晶体材料、ASIC专用读出芯片、多能谱成像算法，在晶体解决方案领域达到了国际上的先进水平。

面临摩尔定律增速放缓等难题，清华大学自动化系戴琼海院士团队近日提出了一种“挣脱”摩尔定律的全新计算架构：光电模拟芯片。视觉任务中实测，其算力达到目前高性能商用芯片的3000余倍。研究团队在接受《环球时报》记者采访时介绍称，全新的计算框架从最本质的物理原理出发，结合了基于电磁波空间传播的光计算，与基于基尔霍夫定律的纯模拟电子计算，“挣脱”传统芯片架构中数据转换速度、精度与功耗相互制约的物理瓶颈，在一枚芯片上突破了大规模计算单元集成、高效非线性、高速光电接口三个难题。