半導體所等提出免于退極化效應的光學聲子軟化新理論

通過晶體管持續小型化以提升集成度的摩爾定律已接近物理極限，但主要問題在于晶體管功耗難以等比例降低。有研究提出，進一步降低功耗有兩種途徑。一是尋找擁有比二氧化鉿（HfO₂）更高介電常數和更大帶隙的新型高k氧化物介電材料；二是采用鐵電/電介質柵堆疊的負電容晶體管，降低晶體管的工作電壓和功耗。氧化物高k介電常數和鐵電相變均源于光學聲子軟化。此前，科學家認為，只有當Born有效電荷足夠強以使得長程庫倫作用超越短程原子鍵強度時，才會出現光學聲子軟化，但強Born有效電荷導致材料的介電常數與帶隙成反比，難以同時擁有高介電常數和大帶隙，引起界面退極化效應，限制了材料的應用。

中國科學院半導體研究所研究員駱軍委團隊聯合寧波東方理工大學教授魏蘇淮，揭示了巖鹽礦結構氧化鈹（rsBeO）反常地同時擁有超高介電常數和超寬帶隙的起源，提出了通過拉升原子鍵降低化學鍵強度、實現光學聲子軟化的新理論。10月31日，相關研究成果以《降低原子化學鍵強度引起免于退極化效應的光學聲子軟化》（Softening of the optical phonon by reduced interatomic bonding strength without depolarization）為題，發表在《自然》（Nature）上。

研究發現，rs-BeO反常地擁有10.6 eV的超寬帶隙和高達271 ?₀的介電常數，超過HfO₂的6 eV帶隙和25 ?₀介電常數。研究顯示，rs-BeO中的Be原子較小，導致相鄰兩個氧原子的電子云高度重疊，同時，產生的強烈庫侖排斥力拉升了原子間距，降低了原子鍵的強度和光學聲子模頻率，致使其介電常數從閃鋅礦相的3.2 ?₀躍升至271 ?₀。基于這一發現，該團隊提出了通過拉升原子鍵長度來降低原子鍵強度從而實現光學聲子模軟化的新理論。

這一光學聲子模軟化驅動的鐵電相變不依賴傳統鐵電相變所需的強庫侖作用，可以避免界面退極化效應。該研究利用上述理論解釋了在Si/SiO₂襯底上外延生長的Hf_0.8Zr_0.2O₂和ZrO₂薄膜在厚度降低到2至3nm時才出現鐵電性的“逆尺寸效應”（隨著材料尺寸減小，鐵電性反而增強）：當Hf_0.8Zr_0.2O₂或ZrO₂薄膜減薄至2至3nm時，襯底晶格失配對外延薄膜施加顯著的雙軸應變進而降低原子鍵強度，而軟化TO聲子模使其振動頻率降低至零，導致鐵電相變。同時，理論預測的長寬比和面間距兩個特征結構因子可以重復實驗測量值。

離子半徑差異、應變、摻雜和晶格畸變等常規手段均可以拉升原子鍵長度降低原子鍵強度。該成果為解決集成電路晶體管高k介電材料、鐵電材料應用的難點以及發展兼容CMOS工藝的超高密度鐵電、相變存儲等新原理器件提供了新思路。

研究工作得到國家自然科學基金國家杰出青年科學基金項目、國家重大科研儀器研制項目和重大項目，中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃和戰略性先導科技專項（B類）等的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08099-0

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