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中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所等提出免于退極化效應(yīng)的光學(xué)聲子軟化新理論"

   2024-10-31 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
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核心提示:通過晶體管持續(xù)小型化以提升集成度的摩爾定律已接近物理極限,但主要問題在于晶體管功耗難以等比例降低。有研究提出,進(jìn)一步降低

通過晶體管持續(xù)小型化以提升集成度的摩爾定律已接近物理極限,但主要問題在于晶體管功耗難以等比例降低。有研究提出,進(jìn)一步降低功耗有兩種途徑。一是尋找擁有比二氧化鉿(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;二是采用鐵電/電介質(zhì)柵堆疊的負(fù)電容晶體管,降低晶體管的工作電壓和功耗。氧化物高k介電常數(shù)和鐵電相變均源于光學(xué)聲子軟化。此前,科學(xué)家認(rèn)為,只有當(dāng)Born有效電荷足夠強(qiáng)以使得長程庫倫作用超越短程原子鍵強(qiáng)度時,才會出現(xiàn)光學(xué)聲子軟化,但強(qiáng)Born有效電荷導(dǎo)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,引起界面退極化效應(yīng),限制了材料的應(yīng)用。

中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員駱軍委團(tuán)隊聯(lián)合寧波東方理工大學(xué)教授魏蘇淮,揭示了巖鹽礦結(jié)構(gòu)氧化鈹(rsBeO)反常地同時擁有超高介電常數(shù)和超寬帶隙的起源,提出了通過拉升原子鍵降低化學(xué)鍵強(qiáng)度、實現(xiàn)光學(xué)聲子軟化的新理論。10月31日,相關(guān)研究成果以《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)上。

研究發(fā)現(xiàn),rs-BeO反常地?fù)碛?0.6 eV的超寬帶隙和高達(dá)271 ?0的介電常數(shù),超過HfO2的6 eV帶隙和25 ?0介電常數(shù)。研究顯示,rs-BeO中的Be原子較小,導(dǎo)致相鄰兩個氧原子的電子云高度重疊,同時,產(chǎn)生的強(qiáng)烈?guī)靵雠懦饬嗽娱g距,降低了原子鍵的強(qiáng)度和光學(xué)聲子模頻率,致使其介電常數(shù)從閃鋅礦相的3.2 ?0躍升至271 ?0?;谶@一發(fā)現(xiàn),該團(tuán)隊提出了通過拉升原子鍵長度來降低原子鍵強(qiáng)度從而實現(xiàn)光學(xué)聲子模軟化的新理論。

這一光學(xué)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(qiáng)庫侖作用,可以避免界面退極化效應(yīng)。該研究利用上述理論解釋了在Si/SiO2襯底上外延生長的Hf0.8Zr0.2O2和ZrO2薄膜在厚度降低到2至3nm時才出現(xiàn)鐵電性的“逆尺寸效應(yīng)”(隨著材料尺寸減小,鐵電性反而增強(qiáng)):當(dāng)Hf0.8Zr0.2O2或ZrO2薄膜減薄至2至3nm時,襯底晶格失配對外延薄膜施加顯著的雙軸應(yīng)變進(jìn)而降低原子鍵強(qiáng)度,而軟化TO聲子模使其振動頻率降低至零,導(dǎo)致鐵電相變。同時,理論預(yù)測的長寬比和面間距兩個特征結(jié)構(gòu)因子可以重復(fù)實驗測量值。

離子半徑差異、應(yīng)變、摻雜和晶格畸變等常規(guī)手段均可以拉升原子鍵長度降低原子鍵強(qiáng)度。該成果為解決集成電路晶體管高k介電材料、鐵電材料應(yīng)用的難點(diǎn)以及發(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。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金國家杰出青年科學(xué)基金項目、國家重大科研儀器研制項目和重大項目,中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊計劃和戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(B類)等的支持。


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