硅基集成电路是当代技能进步的基石，但在尺寸缩小方面面临着严厉的寻衅。当硅基晶体管沟道厚度靠近纳米尺度时，特殊是小于几纳米，晶体管的性能就会显著低落，进一步持续发展面临物理极限的瓶颈。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上风，是下一代集成电路芯片的空想沟道材料。三星正致力于将二维半导体材料运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系统编制程中，以提高晶体管的性能和降落功耗。欧盟通过“欧洲芯片法案”，推动二维半导体材料的研究和开拓，联合IMEC建成欧洲第一条二维半导体材料先导中试线，促进欧洲在二维半导体领域的前瞻布局和自主创新。
然而，二维半导体沟道材料短缺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。传统硅基非晶栅介质材料表面悬挂键较多，与二维半导体材料形成的界面存在大量电子陷阱，影响二维晶体管性能。单晶栅介质材料能够与二维半导体沟道材料形成完美界面，但是单晶栅介质材料成长常日须要较高工艺温度和退却撤退火处理，易对二维半导体材料造成损伤或无意掺杂，形成非空想栅介质/二维半导体界面，界面态密度常日高达1011 cm-2 eV-1旁边，无法知足未来前辈低功耗芯片发展哀求。
田子傲研究员先容，“与非晶材料比较，单晶氧化铝栅介质材料在构造和电子性能上具有明显上风，是基于二维半导体材料晶体管的空想介质材料。其态密度降落了两个数量级，相较于传统界面有了显著改进。”
狄增峰研究员先容，“硅基集成电路芯片长期利用非晶二氧化硅作为栅介质材料，从2005年，非晶高介电常数栅介质材料开始利用，进一步提升栅控能力。因此，栅介质材料一样平常认为是非晶材料，这次开拓性研制出单晶氧化物作为二维晶体管的栅介质材料并成功实现二维低功耗芯片，有望启示集成电路家当界发展新一代栅介质材料”。
图1.蓝宝石单晶（c-Al2O3）栅介质薄膜。a，单晶Al（111）插层氧化形成c-Al2O3示意图。极低氧含量条件下，氧原子逐层进入Al（111）晶格中；b, 4寸单晶Al（111）晶圆。c，单晶Al（111）/c-Al2O3在SiO2衬底上的截面HRTEM图像。标尺：1nm；d，c-Al2O3晶圆厚度分布图。
图2. 基于c-Al2O3 栅介质的二维MoS2晶体管。a, 4英寸二维c-Al2O3/MoS2晶体管阵列；b, c-Al2O3/MoS2晶体管器件截面TEM图；c，c-Al2O3/MoS2晶体管器件转移特性曲线。
图3. 基于c-Al2O3 栅介质的二维MoS2晶体管性能。a，击穿场强；b，泄露电流；c，界面态密度。
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拓了单晶金属插层氧化技能（图1a），室温下实现单晶氧化铝（c-Al2O3）栅介质材料晶圆制备，并运用于前辈二维低功耗芯片的开拓。以锗基石墨烯晶圆作为预沉积衬底成长单晶金属Al（111），利用石墨烯与单晶金属Al（111）之间较弱的范德华浸染力，实现4英寸单晶金属Al（111）晶圆无损剥离（图1b），剥离后单晶金属Al（111）表面呈现无毛病的原子级平整。在极低的氧气氛围下，氧原子可控的、逐层插入到单晶金属Al（111）表面的晶格中，并且坚持其晶格构造（图1a）。从而，在单晶金属Al（111）表面形成稳定、化学计量比准确、原子级厚度均匀的c-Al2O3（0001）薄膜晶圆（图1c，d）。进一步，利用自对准工艺，成功制备出低功耗c-Al2O3/MoS2晶体管阵列（图2a，b），晶体管阵列具有良好的性能同等性（图2c）。晶体管的击穿场强（17.4 MV/cm）、栅泄电流（10-6 A/cm2）、界面态密度（8.4×109 cm-2 eV-1）等指标均知足国际器件与系统路线图（IRDS，International Roadmap for Devices and Systems）对未来低功耗芯片哀求（图3）。
本事情的第一完成单位为中国科学院上海微系统所，本事情的第一作者为中国科学院上海微系统所曾道兵博士，中国科学院上海微系统所田子傲研究员、狄增峰研究员为共同通讯作者。研究事情得到国家自然科学基金委员会、科技部、中国科学院、上海市科委等项目的大力支持。
原标题：《【Nature】上海微系统所成功开拓面向二维集成电路的单晶金属氧化物栅介质晶圆》
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来源：上海科技
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