“小而强”芯片更进一步！上海科学家开发出下一代芯片绝缘材料

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面对“小而强”的性能需求，芯片研发不断逼近物理极限，其中发挥着绝缘作用的栅介质材料十分关键。近日，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开发了一种适用于二维低功耗芯片的单晶蓝宝石介质。这种材料具有卓越的绝缘性能，即使仅有1纳米厚，也能有效阻止电流泄漏，从而显著提升芯片能效。最新一期国际学术期刊《自然》报道了这一突破性成果。

单晶蓝宝石介质材料具有卓越的绝缘性能，可显著提升芯片性能。

二维半导体材料有望成为下一代集成电路的颠覆性解决方案，全球都在这一领域有所布局。比如，三星公司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并降低功耗；欧盟则通过“欧洲芯片法案”，推动二维半导体材料的研究和开发。

然而，二维半导体材料缺少与之匹配的高质量栅介质材料。当传统介质材料厚度减小到纳米级别时，芯片内晶体管的绝缘性能也会显著下降，导致设备发热、响应时间延长等，进一步影响设备整体稳定性和使用寿命。

为突破相关技术瓶颈，狄增峰团队开发了一种金属插层氧化技术。该技术能在室温下精准操控氧原子逐层嵌入铝的晶格中，形成有序的单晶氧化铝介质材料——蓝宝石。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。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。

论文共同通讯作者、上海微系统所研究员田子傲介绍，与传统非晶材料相比，这种蓝宝石晶体在结构和电子性能上具有明显优势，是下一代集成电路晶体管的理想介质材料。据悉，该创新材料已成功应用于半导体芯片制程中，结合二维材料制备出低功耗芯片器件，续航能力和运行效率得到了大幅提升。

这一进展不仅对智能手机的电池续航具有重要意义，还为人工智能、物联网等领域的低功耗芯片发展提供了强有力的支持。随着5G、边缘计算和智能家居等新兴技术的发展，对低功耗、高性能芯片的需求不断增加。科研团队的研究成果也将助力下一代智能设备的普及。

作者：刘琦

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