工程师成功开发面向二维集成电路的单晶金属氧化物栅介质晶圆

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。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。单晶栅介质材料能够与二维半导体沟道材料形成完美界面，但是单晶栅介质材料生长通常需要较高工艺温度和后退火处理，易对二维半导体材料造成损伤或无意掺杂，形成非理想栅介质/二维半导体界面，界面态密度通常高达10¹¹ cm^-2 eV^-1左右，无法满足未来先进低功耗芯片发展要求。

中国科学院上海微系统与信息技术研究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。2024年8月7日，相关成果以“Single-crystalline metal-oxide dielectrics for top-gate 2D transistors”为题，发表于国际学术期刊Nature上。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。

田子傲研究员介绍到 “ 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。”

狄增峰研究员介绍道:  “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 ”。

本研究开发了单晶金属插层氧化技术（图1a），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，实现4英寸单晶金属Al（111）晶圆无损剥离（图1b），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，氧原子可控的、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（图1a）。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（图1c，d）。

图1. 蓝宝石单晶（c-Al₂O₃）栅介质薄膜。a，单晶Al（111）插层氧化形成c-Al₂O₃示意图。极低氧含量条件下，氧原子逐层进入Al（111）晶格中；b, 4寸单晶Al（111）晶圆。c，单晶Al（111）/c-Al₂O₃在SiO₂衬底上的截面HRTEM图像。标尺：1nm；d，c-Al₂O₃晶圆厚度分布图。

进一步，利用自对准工艺，成功制备出低功耗c-Al₂O₃/MoS₂晶体管阵列（图2a，b），晶体管阵列具有良好的性能一致性（图2c）。

图2. 基于c-Al₂O₃ 栅介质的二维MoS₂晶体管。a, 4英寸二维c-Al₂O₃/MoS₂晶体管阵列；b, c-Al₂O₃/MoS₂晶体管器件截面TEM图；c，c-Al₂O₃/MoS₂晶体管器件转移特性曲线。

晶体管的击穿场强（17.4 MV/cm）、栅漏电流（10^-6 A/cm²）、界面态密度（8.4×10⁹ cm^-2 eV^-1）等指标均满足国际器件与系统路线图（IRDS，International Roadmap for Devices and Systems）对未来低功耗芯片要求（图3）。

图3. 基于c-Al₂O₃ 栅介质的二维MoS₂晶体管性能。a，击穿场强；b，泄漏电流；c，界面态密度。

综上，展示了单晶Al₂O₃作为高质量顶栅二维晶体管电介质层的制备。这一突破将为单晶氧化物在多样性、可扩展性和可制造性方面的进一步发展奠定基础，促进二维半导体从实验室到工业环境的无缝过渡。晶圆级单晶铝和铝氧化物的生长方法可以进一步扩展到其他金属，并且一些以前无法获得的单晶氧化物可以被合成用于各种应用。在这一过程中一个显著的进展是能够扩展到当前硅晶圆的直径，因为用于单晶石墨烯合成的起始锗可以直接在硅上外延生长，这大大拓宽了与现有硅工厂制造工艺集成的潜力。同时，开发专门用于低维材料的自动化脱粘转移工具，包括单晶电介质氧化物、二维通道材料和超薄金属电极，对于实现它们之间独特的对准以制造多功能二维器件至关重要，并有望大幅提高产量、改善可重复性和增强二维集成电路的可靠性。通过构建复杂的二维集成电路，特别是在成熟的Si-CMOS平台上的异质集成，二维材料的巨大潜力可以被充分释放，为下一代高性能电子设备奠定基础。

该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大力支持。