图 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；（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：1 nm；（d）c-Al2O3晶圆厚度分布图

　　在国家自然科学基金项目（批准号：51925208、62122082）等资助下，中国科学院上海微系统与信息技术研究所（以下简称上海微系统所）狄增峰研究团队在面向低功耗二维集成电路的单晶金属氧化物栅介质晶圆研制方面取得进展。相关成果以“面向顶栅结构二维晶体管的单晶金属氧化物栅介质材料（Single-crystalline metal-oxide dielectrics for top-gate 2D transistors）”为题，于2024年8月7日在线发表于《自然》（Nature）。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07786-2#citeas。

　　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优势，是下一代集成电路芯片的理想沟道材料。然而，二维半导体沟道材料缺少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生长通常需要较高工艺温度和后退火处理，易对二维半导体材料造成损伤或无意掺杂，形成非理想栅介质/二维半导体界面，界面态密度通常高达1011 cm-2 eV-1左右，无法满足未来先进低功耗芯片发展要求。

　　狄增峰研究团队开发了单晶金属插层氧化技术，室温下实现单晶氧化铝（c-Al2O3）栅介质材料晶圆制备，并应用于先进二维低功耗芯片的开发。以锗基石墨烯晶圆作为预沉积衬底生长单晶金属Al（111），利用石墨烯与单晶金属Al（111）之间较弱的范德华作用力，实现4英寸单晶金属Al（111）晶圆无损剥离（图），剥离后单晶金属Al（111）表面呈现无缺陷的原子级平整。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，并且维持其晶格结构。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。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，晶体管阵列具有良好的性能一致性。晶体管的击穿场强（17.4 MV cm-1）、栅漏电流（10-6 A cm-2）、界面态密度（8.4×109 cm-2 eV-1）等指标均满足国际器件与系统路线图（IRDS，International Roadmap for Devices and Systems）对未来低功耗芯片要求。

　　本研究展示了生产制备高质量单晶氧化物作为栅介质材料的可能性，为先进二维晶体管的发展提供潜在栅介质解决方案。