僅1納米厚度也能阻止電流泄漏，上海科學家創新藍寶石介質顯著提高芯片能效

摘要：傳統介質材料厚度減小到納米級別，絕緣性能會顯著下降

隨著電子設備不斷小型化和性能要求的提升，芯片中的晶體管數量持續增加，尺寸也日益縮小。然而，當傳統的介質材料厚度減小到納米級別時，其絕緣性能會顯著下降，導致電流泄漏。這不僅增加了芯片的能耗，還導致發熱量上升，影響設備的穩定性和使用壽命。
為了解決這一難題，中國科學院上海微系統所集成電路材料全國重點實驗室狄增峰研究員團隊，開發了一種創新的金屬插層氧化技術，形成藍寶石晶體介質，并用于二維低功耗芯片的開發，顯著提高了芯片的能效。2024年8月7日，這一突破性進展發表于國際學術期刊《自然》。

二維半導體材料是下一代集成電路芯片的理想材料。眼下，三星公司正致力于將二維半導體材料應用于高頻和低功耗芯片制造；臺積電公司正在研究如何將二維半導體材料集成到現有半導體制程中，以提高晶體管的性能和降低功耗；歐盟通過“歐洲芯片法案”，聯合比利時微電子研究中心建成歐洲第一條二維半導體材料先導中試線。狄增峰團隊開發的金屬插層氧化技術，能夠在室溫下精準操控氧原子逐層嵌入鋁的晶格中，形成有序的單晶氧化鋁介質材料——藍寶石。傳統的氧化鋁材料通常呈現無序結構，這種無序會導致其在極薄層面上的絕緣性能大幅下降。而藍寶石的單晶結構，不僅帶來了更高的電子遷移率和更低的電流泄漏率，還確保了電子在傳輸過程中的穩定性，即使僅有1納米厚度，依然能夠有效阻止電流的泄漏，從而顯著提高了芯片的能效。這一材料已成功應用于半導體芯片制程中，結合二維材料制備出低功耗芯片器件，續航能力和運行效率得到了大幅提升。這一進展不僅對智能手機的電池續航具有重要意義，還為人工智能、物聯網等領域的低功耗芯片發展提供了強有力的支持。隨著5G、邊緣計算和智能家居等新興技術的發展，對低功耗、高性能芯片的需求不斷增加，這項技術的應用前景廣泛，可助力下一代智能設備的普及。 

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