中国科学院再登《自然》，半导体所联合提出免于退极化效应的光学声子软化新理论

IT之家 11 月 7 日消息，随着集成电路工艺不断推进，摩尔定律所描述的晶体管小型化带来的性能提升已逐渐逼近物理极限。然而更棘手的问题在于，晶体管的功耗并没有随着尺寸缩小而等比例降低。

研究人员提出，可以通过开发新型高 k 氧化物介电材料或采用铁电 / 电介质栅堆叠的负电容晶体管来降低工作电压功耗，但这两条路径都面临一个共同的挑战：如何平衡高介电常数和宽带隙。

目前，这两种材料属性的提升都依赖于光学声子软化，而这种现象的出现通常伴随着介电常数与带隙的此消彼长，以及界面退极化效应，限制了材料的实际应用。

科学家此前认为只有当 Born 有效电荷足够强以使得长程库伦作用超越短程原子键强度时，才会出现光学声子软化，但强 Born 有效电荷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，引起界面退极化效应。

中国科学院半导体研究所研究员骆军委团队联合宁波东方理工大学教授魏苏淮，揭示了岩盐矿结构氧化铍（rsBeO）反常地同时拥有超高介电常数和超宽带隙的起源，提出了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。相关研究成果已于 10 月 31 日发表在《自然》上（IT之家附 DOI:10.1038 / s41586-024-08099-0）。

研究发现，rs-BeO 反常地拥有 10.6 eV 的超宽带隙和高达 271 ɛ0 的介电常数，超过 HfO2 的 6 eV 带隙和 25 ɛ0 介电常数。

研究显示，rs-BeO 中的 Be 原子较小，导致相邻两个氧原子的电子云高度重叠，同时，产生的强烈库仑排斥力拉升了原子间距，降低了原子键的强度和光学声子模频率，致使其介电常数从闪锌矿相的 3.2 ɛ0 跃升至 271 ɛ0。基于这一发现，该团队提出了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，为解决集成电路晶体管高 k 介电材料、铁电材料应用的难点以及发展兼容 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。

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