我国学者提出免于退极化效应的光学声子软化新理论

　　

图 ZrO₂在(101)平面双轴应变作用下的动力学特性

　　在国家自然科学基金项目（批准号：11925407、6192790、11991060、12088101、U1930402）等资助下，中国科学院半导体研究所骆军委研究员、邓惠雄研究员联合宁波东方理工大学魏苏淮教授，提出通过拉升原子键降低化学键强度实现光学声子软化的新理论，指出该新方法可以免于界面退极化效应，解释了硅基外延HfO₂和ZrO₂薄膜在厚度降低到2-3nm时才出现铁电性的“逆尺寸效应”。该理论研究成果于2024年10月31日以“降低原子化学键强度引起免于退极化效应的光学声子软化（Softening of the optical phonon by reduced interatomic bonding strength without depolarization）”为题发表在《自然》（Nature）杂志上。文章链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08099-0。

　　晶体管持续小型化提升集成度的摩尔定律已接近物理极限。主要瓶颈是晶体管功耗难以等比例降低。进一步降低功耗的有两个主要途径：其一是寻找拥有比HfO₂更高介电常数和更大带隙的新型高k氧化物介电材料，确保不降低栅控能力的前提下增厚栅介电层，抑制量子隧穿效应引起的栅极漏电流；另一个是采用铁电/电介质栅堆叠的负电容晶体管（NCFET），突破传统晶体管室温60 mV/dec的亚阈值摆幅限制，进而实现更低的工作电压和功耗。氧化物高k介电常数和铁电相变都源于光学声子软化。通常认为，光学声子软化来自强Born有效电荷引起的长程库伦相互作用超过短程原子键强度，这导致材料的介电常数与带隙成反比，难以同时拥有高介电常数和大带隙。此外，铁电材料受限于强Born有效电荷引起的界面退极化效应，难以应用于大规模集成的纳米尺度器件。

　　在本工作中，研究团队注意到rs-BeO反常地拥有10.6 eV的超宽带隙和高达271?₀的介电常数，远超HfO₂的6 eV带隙和25?₀介电常数。研究发现，由于rs-BeO中的Be原子很小导致相邻两个氧原子的电子云高度重叠，产生强烈的库仑排斥力拉升了原子间距，显著降低了原子键的强度和光学声子模频率，导致其介电常数从闪锌矿相的3.2?₀（闪锌矿相中氧原子相距较远电子云重叠很小）跃升至271?₀。基于这一发现，本工作提出通过拉升原子键长度来降低原子键强度，从而实现光学声子模软化的新理论。

　　由于该光学声子模软化驱动的铁电相变不依赖传统铁电相变所需的强库仑作用，因此可以有效避免界面退极化效应。研究团队利用上述理论成功解释了在Si/SiO₂衬底上外延生长的Hf_0.8Zr_0.2O₂和ZrO₂薄膜在厚度降低到2-3nm时才出现铁电性的“逆尺寸效应”：当Hf_0.8Zr_0.2O₂或ZrO₂薄膜减薄至2-3nm时，衬底晶格失配对外延薄膜施加显著的双轴应变降低原子键强度，软化TO声子模使其频率降低至零而导致铁电相变，理论预测的长宽比和面间距两个特征结构因子可以完美重复实验测量值。

　　本工作的研究发现为通过离子半径差异、应变、掺杂或晶格畸变等手段实现薄膜铁电相变提供了统一的理论框架，进而为设计集成电路晶体管器件高k介电层和发展兼容CMOS工艺的超高密度铁电、相变存储等新原理器件提供了新思路。