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/電介質柵堆疊的負電容晶體管，降低晶體管的工作電壓和功耗。氧化物高k介電常數和鐵電相變均源于光學聲子軟化。此前，科學家認為，只有當Born有效電荷足夠強以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，但強Born有效電荷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，引起界面退極化效應，限制了材料的應用。

中國科學院半導體研究所研究員駱**團隊聯(lián)合寧波東方理工大學教授魏蘇淮，揭示了巖鹽礦結構氧化鈹（rsBeO）反常地同時擁有超高介電常數和超寬帶隙的起源，提出了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。10月31日，相關研究成果以《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》（Nature）上。

研究發(fā)現(xiàn)，rs-BeO反常地擁有10.6 eV的超寬帶隙和高達271 ?0的介電常數，超過HfO2的6 eV帶隙和25 ?0介電常數。研究顯示，rs-BeO中的Be原子較小，導致相鄰兩個氧原子的電子云高度重疊，同時，產生的強烈?guī)靵雠懦饬嗽娱g距，降低了原子鍵的強度和光學聲子模頻率，致使其介電常數從閃鋅礦相的3.2 ?0躍升至271 ?0。基于這一發(fā)現(xiàn)，該團隊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。

這一光學聲子模軟化驅動的鐵電相變不依賴傳統(tǒng)鐵電相變所需的強庫侖作用，可以避免界面退極化效應。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”（隨著材料尺寸減小，鐵電性反而增強）：當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變進而降低原子鍵強度，而軟化TO聲子模使其振動頻率降低至零，導致鐵電相變。同時，理論預測的長寬比和面間距兩個特征結構因子可以重復實驗測量值。

離子半徑差異、應變、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、鐵電材料應用的難點以及發(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基金國家杰出青年科學基金項目、國家重大科研儀器研制項目和重大項目，中國科學院穩(wěn)定支持基礎研究領域青年團隊計劃和戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）等的支持。