【儀表網 研發快訊】通過晶體管持續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。進一步降低功耗有兩個主要途徑：其一是尋找擁有比HfO2 更高介電常數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，遏制量子隧穿效應引起的柵極漏電流；另一個是采用鐵電/電介質柵堆疊的負電容晶體管(NCFET)，突破傳統晶體管室溫60 mV/dec的亞閾值擺幅限制，進而實現更低的工作電壓和功耗。氧化物高k介電常數和鐵電相變都源于光學聲子軟化。通常認為，只有當Born有效電荷足夠強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，但這會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。此外，鐵電材料受限于強Born有效電荷引起的界面退極化效應，難以應用于大規模集成的納米尺度器件。
 

　　中國科學院半導體研究所駱軍委研究員團隊聯合寧波東方理工大學魏蘇淮教授，通過揭示巖鹽礦結構(rs)BeO反常地同時擁有超高介電常數和超寬帶隙的起源，創新性地提出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，并提出該新方法可以免于困擾傳統鐵電材料的界面退極化效應，成功解釋了硅基外延HfO2和ZrO2薄膜在厚度降低到2-3nm時才出現鐵電性的“逆尺寸效應”。該純理論的研究成果于2024年10月31日以“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》雜志(Nature)。
 

　　在該工作中，研究團隊注意到rs-BeO反常地擁有10.6 eV的超寬帶隙和介電常數高達271 ?0，遠超HfO2的6 eV帶隙和25 ?0介電常數。該工作揭示，由于rs-BeO中的Be原子很小導致相鄰兩個氧原子的電子云高度重疊，產生強烈的庫侖排斥力拉升了原子間距，顯著降低了原子鍵的強度和光學聲子模頻率，導致其介電常數從閃鋅礦相的3.2 ?0(閃鋅礦相中氧原子相距較遠電子云重疊很小)躍升至271 ?0。基于這一發現，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。
 

圖1 巖鹽礦(rs-) BeO的反常現象及起源
 

　　由于該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，因此可以有效避免界面退極化效應。研究團隊利用上述理論成功解釋了在Si/SiO2襯底上外延生長的Hf0.8Zr0.2O2和ZrO2薄膜在厚度降低到2-3nm時才出現鐵電性的“逆尺寸效應”：當Hf0.8Zr0.2O2或ZrO2薄膜減薄至2-3nm時，襯底晶格失配對外延薄膜施加顯著的雙軸應變降低原子鍵強度，軟化TO聲子模使其頻率降低至零而導致鐵電相變，理論預測的長寬比和面間距兩個特征結構因子可以完美重復實驗測量值。
 

　　離子半徑差異、應變、摻雜和晶格畸變都可以拉升原子鍵長度降低原子鍵強度，該發現為通過上述手段實現薄膜鐵電相變提供了統一的理論框架。光學聲子模軟化是凝聚態物理中的高k介電材料、鐵電材料、相變材料、熱電材料和多鐵材料的關鍵因素，該工作為設計晶體管高k介電層和發展兼容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。
 

圖2 ZrO2在(101)平面雙軸應變作用下的動力學特性
 

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

　　該研究工作得到了國家自然科學基金委國家杰出青年科學基金項目、重大儀器研制項目和重大項目、中國科學院穩定支持青年團隊和戰略性先導科技專項(B類)等大力支持。