圖 藍寶石單晶（c-Al2O3）柵介質薄膜。（a）單晶Al（111）插層氧化形成c-Al2O3示意圖；（b）4寸單晶Al（111）晶圓；

（c）單晶Al（111）/c-Al2O3在SiO2襯底上的截面HRTEM圖像，標尺：1 nm；（d）c-Al2O3晶圓厚度分布圖

　　在國家自然科學基金項目（批準號：51925208、62122082）等資助下，中國科學院上海微系統與信息技術研究所（以下簡稱上海微系統所）狄增峰研究團隊在面向低功耗二維集成電路的單晶金屬氧化物柵介質晶圓研制方面取得進展。相關成果以“面向頂柵結構二維晶體管的單晶金屬氧化物柵介質材料（Single-crystalline metal-oxide dielectrics for top-gate 2D transistors）”為題，于2024年8月7日在線發表于《自然》（Nature）。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07786-2#citeas。

　　二維半導體材料具有高載流子遷移率和抑制短溝道效應等優勢，是下一代集成電路芯片的理想溝道材料。然而，二維半導體溝道材料缺少與之匹配的高質量柵介質材料，導致二維晶體管實際性能與理論存在較大差異。傳統硅基非晶柵介質材料表面懸掛鍵較多，與二維半導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。單晶柵介質材料能夠與二維半導體溝道材料形成完美界面，但是單晶柵介質材料生長通常需要較高工藝溫度和后退火處理，易對二維半導體材料造成損傷或無意摻雜，形成非理想柵介質/二維半導體界面，界面態密度通常高達1011 cm-2 eV-1左右，無法滿足未來先進低功耗芯片發展要求。

　　狄增峰研究團隊開發了單晶金屬插層氧化技術，室溫下實現單晶氧化鋁（c-Al2O3）柵介質材料晶圓制備，并應用于先進二維低功耗芯片的開發。以鍺基石墨烯晶圓作為預沉積襯底生長單晶金屬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，實現4英寸單晶金屬Al（111）晶圓無損剝離（圖），剝離后單晶金屬Al（111）表面呈現無缺陷的原子級平整。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，并且維持其晶格結構。從而，在單晶金屬Al（111）表面形成穩定、化學計量比準確、原子級厚度均勻的c-Al2O3（0001）薄膜晶圓。進一步，利用自對準工藝，成功制備出低功耗c-Al2O3/MoS2晶體管陣列，晶體管陣列具有良好的性能一致性。晶體管的擊穿場強（17.4 MV cm-1）、柵漏電流（10-6 A cm-2）、界面態密度（8.4×109 cm-2 eV-1）等指標均滿足國際器件與系統路線圖（IRDS，International Roadmap for Devices and Systems）對未來低功耗芯片要求。

　　本研究展示了生產制備高質量單晶氧化物作為柵介質材料的可能性，為先進二維晶體管的發展提供潛在柵介質解決方案。