《我国科学家开发出面向新型芯片的绝缘材料》

  • 来源专题:能源情报网监测服务平台
  • 编译者: 郭楷模
  • 发布时间:2024-08-08
  • 作为组成芯片的基本元件,晶体管的尺寸随着芯片缩小不断接近物理极限,其中发挥着绝缘作用的栅介质材料十分关键。中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员狄增峰团队开发出面向二维集成电路的单晶氧化铝栅介质材料——人造蓝宝石,这种材料具有卓越的绝缘性能,即使在厚度仅为1纳米时,也能有效阻止电流泄漏。相关成果8月7日发表于国际学术期刊《自然》。

    “二维集成电路是一种新型芯片,用厚度仅为1个或几个原子层的二维半导体材料构建,有望突破传统芯片的物理极限。但由于缺少与之匹配的高质量栅介质材料,其实际性能与理论相比尚存较大差异。”中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员狄增峰说。

    狄增峰表示,传统的栅介质材料在厚度减小到纳米级别时,绝缘性能会下降,进而导致电流泄漏,增加芯片的能耗和发热量。为应对该难题,团队创新开发出原位插层氧化技术。

    “原位插层氧化技术的核心在于精准控制氧原子一层一层有序嵌入金属元素的晶格中。”中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员田子傲说,“传统氧化铝材料通常呈无序结构,这会导致其在极薄层面上的绝缘性能大幅下降。”

    具体来看,团队首先以锗基石墨烯晶圆作为预沉积衬底生长单晶金属铝,利用石墨烯与单晶金属铝之间较弱的范德华作用力,实现4英寸单晶金属铝晶圆无损剥离,剥离后单晶金属铝表面呈现无缺陷的原子级平整。随后,在极低的氧气氛围下,氧原子逐层嵌入单晶金属铝表面的晶格中,最终得到稳定、化学计量比准确、原子级厚度均匀的氧化铝薄膜晶圆。

    狄增峰介绍,团队成功以单晶氧化铝为栅介质材料制备出低功耗的晶体管阵列,晶体管阵列具有良好的性能一致性。晶体管的击穿场强、栅漏电流、界面态密度等指标均满足国际器件与系统路线图对未来低功耗芯片的要求,有望启发业界发展新一代栅介质材料。

  • 原文来源:https://www.cnenergynews.cn/kejizhuangbei/2024/08/08/detail_20240808171390.html
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    • 中国科学院合肥研究院固体所功能材料物理与器件研究部童鹏研究员课题组与计算物理与量子材料研究部张永胜研究员课题组合作,在六角硫化物中发现了温度驱动的巨大热导率跳变效应,并给出理论解释。该材料体系易于合成、原料环境友好,在热流主动控制领域具有潜在的应用价值。相关研究结果发日前表在期刊《Acta Materialia》上。  目前约90%能源的使用涉及热量的产生与操控。因此有效控制热量传导对于提高能源利用率、实现节能减排和可持续发展均具有重要意义。材料的热导率大小是决定其热传导能力的关键因素之一。然而,如果材料热导率随温度变化而发生突变,则可根据导热能力的不同实现对热流的自主控制。近年来此类材料已得到了研究人员的广泛关注。 研究人员发现六角相硫化物在低温反铁磁至高温顺磁相变处,热导率出现巨大的可逆跳变,变化率最大能超过200%,其远高于已知的典型固态热导率突变材料,如镍钛合金等。为了阐明热导率突变的物理机制,研究人员通过NiS对其电子能带结构计算,结合求解玻尔兹曼输运方程,发现高于相变温度的顺磁态为金属,具有较大的电子热导率。研究人员用少量金属银粘接六角硫化物,通过与基体之间形成的纳米过渡层,金属银对热应力起到了很好的缓冲和释放作用,显著地改善了材料的脆性,同时也提高了材料的机械加工性能和热循环稳定性。 由于六角硫化物体系材料体系易于合成、原料环境友好,因此在热流主动控制领域具有潜在的应用价值。当环境寒冷时,低热导率可以延缓热量散失,起到保温作用;而在炎热的环境下,高热导率有助于热量快速散发,防止器件过热。如可用于维持如电池、芯片的最佳工作温度。该材料也可以与具有相反热导率温度依赖关系的材料联合使用,构筑热二极管。 
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