解决芯片晶体管“小身材”烦恼

本报讯（记者 郜阳）随着电子设备不断小型化和性能要求的提升，芯片中的晶体管数量持续增加，尺寸也日益缩小。然而，晶体管尺寸的缩小同时带来了新的技术挑战——当硅基晶体管沟道厚度接近纳米尺度，特别是小于几纳米时，晶体管的性能就会显著下降。

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，相关成果于日前发表在国际学术期刊《自然》（Nature）上。

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。据了解，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。

为了解决相关技术难题，科研团队开发了一种创新的金属插层氧化技术。这项技术的核心在于能在室温下，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。要知道，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则为其带来了更高的电子迁移率和更低的电流泄漏率。这种材料在微观层面上的有序排列，确保了电子在传输过程中的稳定性，使得即使在仅有1纳米的厚度下，依然能够有效阻止电流的泄漏，从而显著提高了芯片的能效。

论文共同通讯作者、上海微系统所研究员田子傲介绍，该材料已成功应用于半导体芯片制程中，结合二维材料，可制备出低功耗芯片器件，“通过采用这种新型材料，芯片的功耗显著降低，续航能力和运行效率得到了大幅提升。”

论文共同通讯作者、上海微系统所研究员狄增峰表示，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。