仅1纳米厚度也能阻止电流泄漏，上海科学家创新蓝宝石介质显著提高芯片能效
摘要：传统介质材料厚度减小到纳米级别，绝缘性能会显著下降
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，当传统的介质材料厚度减小到纳米级别时，其绝缘性能会显著下降，导致电流泄漏。这不仅增加了芯片的能耗，还导致发热量上升，影响设备的稳定性和使用寿命。
为了解决这一难题，中国科学院上海微系统所集成电路材料全国重点实验室狄增峰研究员团队，开发了一种创新的金属插层氧化技术，形成蓝宝石晶体介质，并用于二维低功耗芯片的开发，显著提高了芯片的能效。2024年8月7日，这一突破性进展发表于国际学术期刊《自然》。
二维半导体材料是下一代集成电路芯片的理想材料。眼下，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；台积电公司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；欧盟通过“欧洲芯片法案”，联合比利时微电子研究中心建成欧洲第一条二维半导体材料先导中试线。狄增峰团队开发的金属插层氧化技术，能够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，即使仅有1纳米厚度，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。这一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，这项技术的应用前景广泛，可助力下一代智能设备的普及。
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