半導體所等提出免於退極化效應的光學聲子軟化新理論

通過晶體(ti) 管持續小型化以提升集成度的摩爾定律已接近物理極限，但主要問題在於(yu) 晶體(ti) 管功耗難以等比例降低。有研究提出，進一步降低功耗有兩(liang) 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(ti) 管，降低晶體(ti) 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於(yu) 光學聲子軟化。此前，科學家認為(wei) ，隻有當Born有效電荷足夠強以使得長程庫倫(lun) 作用超越短程原子鍵強度時，才會(hui) 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(yu) 帶隙成反比，難以同時擁有高介電常數和大帶隙，引起界麵退極化效應，限製了材料的應用。

中國科學院半導體(ti) 研究所研究員駱**團隊聯合寧波東(dong) 方理工大學教授魏蘇淮，揭示了岩鹽礦結構氧化鈹（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(guan) 研究成果以《降低原子化學鍵強度引起免於(yu) 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(wei) 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(liang) 個(ge) 氧原子的電子雲(yun) 高度重疊，同時，產(chan) 生的強烈庫侖(lun) 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(cong) 閃鋅礦相的3.2 ?0躍升至271 ?0。基於(yu) 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(cong) 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(chuan) 統鐵電相變所需的強庫侖(lun) 作用，可以避免界麵退極化效應。該研究利用上述理論解釋了在Si/SiO2襯底上外延生長的Hf0.8Zr0.2O2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Hf0.8Zr0.2O2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麵間距兩(liang) 個(ge) 特征結構因子可以重複實驗測量值。

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(wei) 解決(jue) 集成電路晶體(ti) 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(chu) 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傑出青年科學基金項目、國家重大科研儀(yi) 器研製項目和重大項目，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(zhuan) 項（B類）等的支持。