中国科学院半导体研究所&东方理工大学最新Nature：提出免于退极化效应的光学声子软化新理论

一、【科学背景】

随着摩尔定律推动晶体管不断微型化，科学正逼近物理极限，主要挑战在于晶体管的功耗难以同步降低。为了进一步降低功耗，国内外探索两条路径：一是寻找具有更高介电常数和更宽带隙的新型高k氧化物材料，以增厚栅介电层，抑制量子隧穿效应，同时保持栅控能力；二是采用负电容晶体管（NCFET）技术，通过铁电/电介质堆叠，打破传统晶体管的亚阈值摆幅限制，实现更低的工作电压和功耗。氧化物的高k介电常数和铁电相变均源自光学声子的软化。传统观点认为，这种软化是由强Born有效电荷引起的长程库仑相互作用超越短程原子键合强度所致。然而，随着宿主材料向高密度纳米电子学中的尺寸减小，诱导的铁电性受到去极化效应的抑制，这限制了材料同时具备高介电常数和大带隙的可能性。同时，铁电材料在纳米尺度器件中的应用受到界面退极化效应的制约，难以实现大规模集成。

二、【科学创新】

近日，中国科学院半导体研究所骆军委研究员团队联合宁波东方理工大学魏苏淮教授，提出了另一种驱动TO声子软化的途径，展示出在岩盐结构的超宽带隙氧化铍（BeO）中异常软的TO声子主要是由于短程键合作用的大幅减弱引起的，这是由电子云重叠引起的库仑排斥导致的Be-O键的拉伸，这种排斥发生在两个相邻的氧离子之间，它们围绕一个极小的Be离子排列成八面体结构。本文进一步证明了在应变诱导的钙钛矿BaZrO₃以及在晶格失配的SiO₂/Si衬底上外延生长的超薄HfO₂和ZrO₂薄膜中，由于双轴应变引起的拉伸键的短程键合作用减弱，出现了稳健的铁电性。这些发现为开发一个统一理论提供了新的思路，即通过调整化学键、离子半径差异、应变、掺杂和晶格畸变来增强超薄膜中的铁电性，使其不受去极化场的影响。县关研究成果以“Softening of the optical phonon by reduced interatomic bonding strength without depolarization”为题发表在国际顶级期刊Nature杂志上。中国科学院半导体研究所曹茹月博士为第一作者，杨巧林为第二作者；共同通讯作者为中国科学院半导体研究所骆军委研究员、邓惠雄研究员和宁波东方理工大学魏苏淮教授；其他合作者还包括剑桥大学John Robertson教授。

图1 不同氧化物的带隙与静态介电常数之间的关系，以及岩盐结构和闪锌矿结构之间的晶体结构和动态特性进行比较。© 2024 Nature

图2 在岩盐结构氧化铍（rs-BeO）中，第一近邻原子间的相互作用力显著减小© 2024 Nature

图3 在(101)晶面上施加双轴应变时二氧化锆（ZrO2）的动态特性。© 2024 Nature

图4 在硅衬底上外延生长的ZrO2和Hf0.8Zr0.2O2超薄薄膜中，由非极性t相到极性o相的薄膜诱导铁电相变与外延应变诱导的铁电相变的比较。© 2024 Nature

三、【科学启示】

本文提供了几个重要的科学启示，特别是在铁电材料和高k介电材料的研究领域，以下是一些关键点：

1. 铁电相变的新机制：文章提出了一种新的铁电相变机制，即通过减弱短程键合作用来实现TO声子软化，而不是传统上依赖的增强长程库仑相互作用。这对于理解和设计新型铁电材料具有重要意义。
2. 高k介电材料的探索：文章强调了寻找具有更高介电常数和更大带隙的新型高k氧化物介电材料的重要性，这对于提高集成电路的性能和降低功耗至关重要。
3. 材料设计的新思路：文章提供了通过调整化学键、离子半径差异、应变、掺杂和晶格畸变来增强超薄膜中铁电性的新思路，这为材料设计提供了新的方向。
4. 电子云重叠和库仑排斥的作用：文章揭示了电子云重叠引起的库仑排斥在键长变化中的作用，这对于理解材料的电子结构和力学性质之间的关系提供了新的视角。

总之，本文的研究不仅增进了对铁电材料和高k介电材料的理解，而且为未来电子器件的设计和制造提供了新的可能性。

论文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08099-0

本文由虚谷纳物供稿