半導(dǎo)體所提出免于退極化效應(yīng)的光學(xué)聲子軟化新理論

通過晶體管持續(xù)小型化提升集成度的摩爾定律已接近物理極限，主要瓶頸是晶體管功耗難以等比例降低。進(jìn)一步降低功耗有兩個(gè)主要途徑：其一是尋找擁有比HfO2更高介電常數(shù)和更大帶隙的新型高k氧化物介電材料，確保不降低柵控能力的前提下增厚柵介電層，遏制量子隧穿效應(yīng)引起的柵極漏電流；另一個(gè)是采用鐵電/電介質(zhì)柵堆疊的負(fù)電容晶體管(NCFET)，突破傳統(tǒng)晶體管室溫60 mV/dec的亞閾值擺幅限制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更低的工作電壓和功耗。

氧化物高k介電常數(shù)和鐵電相變都源于光學(xué)聲子軟化。通常認(rèn)為，光學(xué)聲子軟化來自強(qiáng)Born有效電荷引起的長(zhǎng)程庫倫相互作用超過短程原子鍵強(qiáng)度，這導(dǎo)致材料的介電常數(shù)與帶隙成反比，難以同時(shí)擁有高介電常數(shù)和大帶隙。此外，鐵電材料受限于強(qiáng)Born有效電荷引起的界面退極化效應(yīng)，難以應(yīng)用于大規(guī)模集成的納米尺度器件。

中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所駱軍委研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合寧波東方理工大學(xué)魏蘇淮教授，通過揭示巖鹽礦結(jié)構(gòu)(rs)BeO反常地同時(shí)擁有超高介電常數(shù)和超寬帶隙的起源，創(chuàng)新性地提出通過拉升原子鍵降低化學(xué)鍵強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)光學(xué)聲子軟化的新理論，并提出該新方法可以免于困擾傳統(tǒng)鐵電材料的界面退極化效應(yīng)，成功解釋了硅基外延HfO2和ZrO2薄膜在厚度降低到2-3 nm時(shí)才出現(xiàn)鐵電性的“逆尺寸效應(yīng)”。該純理論的研究成果于2024年10月31日以“降低原子化學(xué)鍵強(qiáng)度引起免于退極化效應(yīng)的光學(xué)聲子軟化(Softening of the optical phonon by reduced interatomic bonding strength without depolarization)”為題發(fā)表在《自然(Nature)》雜志。文章鏈接：https://doi.org/10.1038/?s41586-024-08099-0。

在本工作中，研究團(tuán)隊(duì)注意到rs-BeO反常地?fù)碛?0.6 eV的超寬帶隙和介電常數(shù)高達(dá)271 ?0，遠(yuǎn)超HfO2的6 eV帶隙和25 ?0介電常數(shù)。本工作揭示，由于rs-BeO中的Be原子很小導(dǎo)致相鄰兩個(gè)氧原子的電子云高度重疊，產(chǎn)生強(qiáng)烈的庫侖排斥力拉升了原子間距，顯著降低了原子鍵的強(qiáng)度和光學(xué)聲子模頻率，導(dǎo)致其介電常數(shù)從閃鋅礦相的3.2 ?0（閃鋅礦相中氧原子相距較遠(yuǎn)電子云重疊很?。┸S升至271 ?0。基于這一發(fā)現(xiàn)，提出了通過拉升原子鍵長(zhǎng)度來降低原子鍵強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)聲子模軟化的新理論。

由于該光學(xué)聲子模軟化驅(qū)動(dòng)的鐵電相變不依賴傳統(tǒng)鐵電相變所需的強(qiáng)庫侖作用，因此可以有效避免界面退極化效應(yīng)。研究團(tuán)隊(duì)利用上述理論成功解釋了在Si/SiO2襯底上外延生長(zhǎng)的Hf0.8Zr0.2O2和ZrO2薄膜在厚度降低到2-3 nm時(shí)才出現(xiàn)鐵電性的“逆尺寸效應(yīng)”：當(dāng)Hf0.8Zr0.2O2或ZrO2薄膜減薄至2-3 nm時(shí)，襯底晶格失配對(duì)外延薄膜施加顯著的雙軸應(yīng)變降低原子鍵強(qiáng)度，軟化TO聲子模使其頻率降低至零而導(dǎo)致鐵電相變，理論預(yù)測(cè)的長(zhǎng)寬比和面間距兩個(gè)特征結(jié)構(gòu)因子可以完美重復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。
離子半徑差異、應(yīng)變、摻雜和晶格畸變都可以拉升原子鍵長(zhǎng)度降低原子鍵強(qiáng)度，該發(fā)現(xiàn)為通過離子半徑差異、應(yīng)變、摻雜或晶格畸變等手段實(shí)現(xiàn)薄膜鐵電相變提供了統(tǒng)一的理論框架。光學(xué)聲子模軟化是凝聚態(tài)物理中的高k介電材料、鐵電材料、相變材料、熱電材料和多鐵材料的關(guān)鍵因素，本工作為設(shè)計(jì)晶體管高k介電層和發(fā)展兼容CMOS工藝的超高密度鐵電、相變存儲(chǔ)等新原理器件提供了新思路。

半導(dǎo)體研究所曹茹月博士為論文第一作者，楊巧林為第二作者；半導(dǎo)體研究所駱軍委研究員、鄧惠雄研究員和寧波東方理工大學(xué)魏蘇淮教授為共同通訊作者；其他合作者還包括劍橋大學(xué)John Robertson教授。

本研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目、重大儀器研制項(xiàng)目和重大項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持青年團(tuán)隊(duì)和戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）等大力支持。

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編輯：柚子露責(zé)編：六塊錢的魚投稿郵箱：weixin@semi.ac.cn