中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員狄增峰團(tuán)隊(duì)在面向低功耗二維集成電路的單晶金屬氧化物柵介質(zhì)晶圓研制方面取得進(jìn)展。8月7日，相關(guān)研究成果以《面向頂柵結(jié)構(gòu)二維晶體管的單晶金屬氧化物柵介質(zhì)材料》(Single-crystalline metal-oxide dielectrics for top-gate 2D transistors)為題，發(fā)表在《自然》(Nature)上。
 

　　硅基集成電路是現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)步的基石，但在尺寸縮小方面面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。當(dāng)硅基晶體管溝道厚度接近納米尺度時(shí)特別是小于幾納米，晶體管的性能會(huì)顯著下降，而進(jìn)一步發(fā)展將面臨物理極限。二維半導(dǎo)體材料具有高載流子遷移率和抑制短溝道效應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，是下一代集成電路芯片的理想溝道材料。
 

　　然而，二維半導(dǎo)體溝道材料缺少與之匹配的高質(zhì)量柵介質(zhì)材料，導(dǎo)致二維晶體管實(shí)際性能與理論存在較大差異。傳統(tǒng)硅基非晶柵介質(zhì)材料表面懸掛鍵較多，與二維半導(dǎo)體材料形成的界面存在大量電子陷阱，影響二維晶體管性能。單晶柵介質(zhì)材料能夠與二維半導(dǎo)體溝道材料形成完美界面，但單晶柵介質(zhì)材料生長(zhǎng)通常需要較高工藝溫度和后退火處理，易對(duì)二維半導(dǎo)體材料造成損傷或無(wú)意摻雜，形成非理想柵介質(zhì)/二維半導(dǎo)體界面，且界面態(tài)密度通常高達(dá)1011 cm-2 eV-1左右，無(wú)法滿足未來(lái)先進(jìn)低功耗芯片發(fā)展要求。
 

　　狄增峰團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出單晶金屬插層氧化技術(shù)，室溫下實(shí)現(xiàn)單晶氧化鋁(c-Al2O3)柵介質(zhì)材料晶圓制備，并應(yīng)用于先進(jìn)二維低功耗芯片的開(kāi)發(fā)。研究以鍺基石墨烯晶圓作為預(yù)沉積襯底生長(zhǎng)單晶金屬Al(111)，利用石墨烯與單晶金屬Al(111)之間較弱的范德華作用力，實(shí)現(xiàn)4英寸單晶金屬Al(111)晶圓無(wú)損剝離，且剝離后單晶金屬Al(111)表面呈現(xiàn)無(wú)缺陷的原子級(jí)平整。在極低的氧氣氛圍下，氧原子可控的、逐層插入到單晶金屬Al(111)表面的晶格中，并維持其晶格結(jié)構(gòu)，從而在單晶金屬Al(111)表面形成穩(wěn)定、化學(xué)計(jì)量比準(zhǔn)確、原子級(jí)厚度均勻的c-Al2O3(0001)薄膜晶圓。進(jìn)一步，研究利用自對(duì)準(zhǔn)工藝，制備出低功耗c-Al2O3/MoS2晶體管陣列，且晶體管陣列具有良好的性能一致性。晶體管的擊穿場(chǎng)強(qiáng)、柵漏電流、界面態(tài)密度等指標(biāo)均滿足國(guó)際器件與系統(tǒng)路線圖對(duì)未來(lái)低功耗芯片的要求。
 

　　上海微系統(tǒng)所研究員田子傲介紹：“與非晶材料相比，單晶氧化鋁柵介質(zhì)材料在結(jié)構(gòu)和電子性能上具有明顯優(yōu)勢(shì)，是基于二維半導(dǎo)體材料晶體管的理想介質(zhì)材料。它的態(tài)密度降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，相較于傳統(tǒng)界面有了顯著改善。”
 

　　狄增峰介紹：“硅基集成電路芯片長(zhǎng)期使用非晶二氧化硅作為柵介質(zhì)材料。2005年，非晶高介電常數(shù)柵介質(zhì)材料開(kāi)始使用，進(jìn)一步提升了柵控能力。因此，柵介質(zhì)材料一般認(rèn)為是非晶材料。此次研制出單晶氧化物作為二維晶體管的柵介質(zhì)材料并實(shí)現(xiàn)二維低功耗芯片，有望啟發(fā)集成電路產(chǎn)業(yè)界發(fā)展新一代柵介質(zhì)材料。”
 

　　上述成果的第一完成單位為上海微系統(tǒng)所。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部、中國(guó)科學(xué)院、上海市等支持。
 

藍(lán)寶石單晶(c-Al2O3)柵介質(zhì)薄膜
 

基于c-Al2O3柵介質(zhì)的二維MoS2晶體管
 

基于c-Al2O3柵介質(zhì)的二維MoS2晶體管性能