中国科学院开发出面向新型芯片的绝缘材料，助力突破物理极限

8月7日消息，中国科学院上海微系统与信息技术研究所的研究员狄增峰、田子傲研究团队成功开发了一种单晶氧化铝栅介质材料——人造蓝宝石。这种材料具有卓越的绝缘性能，即使在厚度仅为1纳米时，也能有效阻止电流泄漏。相关成果8月7日已发表于国际学术期刊《自然》。

据悉，晶体管作为芯片的基本元件，其尺寸随着芯片缩小不断接近物理极限，而栅介质材料在其中发挥着关键的绝缘作用。这种新型绝缘材料的研发，不仅解决了传统栅介质材料在纳米级别下绝缘性能下降的问题，还为二维集成电路的发展提供了重要的技术支持。

传统的栅介质材料在厚度减小到纳米级别时，绝缘性能会下降，进而导致电流泄漏，增加芯片的能耗和发热量。狄增峰介绍，“二维集成电路是一种新型芯片，用厚度仅为1个或几个原子层的二维半导体材料构建，有望突破传统芯片的物理极限。但由于缺少与之匹配的高质量栅介质材料，其实际性能与理论相比尚存较大差异。” 

为应对该难题，狄增峰研究团队创新开发出原位插层氧化技术，通过精准控制氧原子有序嵌入金属元素的晶格中，进一步提升了材料的绝缘性能。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员田子傲也介绍，“原位插层氧化技术的核心在于精准控制氧原子一层一层有序嵌入金属元素的晶格中。传统氧化铝材料通常呈无序结构，这会导致其在极薄层面上的绝缘性能大幅下降。”

人造蓝宝石绝缘材料在阻止电流泄漏方面的机理主要归因于其独特的单晶结构和高电子迁移率。这种材料的单晶结构确保了电子在传输过程中的稳定性，即使在仅有1纳米厚度的情况下，依然能够有效阻止电流的泄漏。

传统的氧化铝材料通常呈现无序结构，这种无序会导致其在极薄层面上的绝缘性能大幅下降，从而导致电流泄漏。而蓝宝石的单晶结构不仅带来了更高的电子迁移率和更低的电流泄漏率，还确保了电子在传输过程中的稳定性。此外，通过插层氧化的技术对单晶铝进行氧化，实现了单晶氧化铝作为介质材料，在1纳米下能够实现非常低的泄漏电流。