【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】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(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，遏制量子隧穿效應引起的柵極漏電流；另一個是采用鐵電/電介質(zhì)柵堆疊的負電容晶體管(NCFET)，突破傳統(tǒng)晶體管室溫60 mV/dec的亞閾值擺幅限制，進而實現(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(xiàn)光學聲子軟化，但這會導致材料的介電常數(shù)與帶隙成反比，難以同時擁有高介電常數(shù)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(guī)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(lián)合寧波東方理工大學魏蘇淮教授，通過揭示巖鹽礦結(jié)構(gòu)(rs)BeO反常地同時擁有超高介電常數(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鍵強度實現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)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(fā)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(shù)高達271 ?0，遠超HfO2的6 eV帶隙和25 ?0介電常數(shù)。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(chǎn)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(shù)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(fā)現(xiàn)，提出了通過拉升原子鍵長度來降低原子鍵強度，從而實現(xiàn)光學聲子模軟化的新理論。
 

圖1 巖鹽礦(rs-) BeO的反常現(xiàn)象及起源
 

　　由于該光學聲子模軟化驅(qū)動的鐵電相變不依賴傳統(tǒng)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(xiàn)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(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)為通過上述手段實現(xiàn)薄膜鐵電相變提供了統(tǒng)一的理論框架。光學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鍵因素，該工作為設計晶體管高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(wěn)定支持青年團隊和戰(zhàn)略性先導科技專項(B類)等大力支持。