10月30日，寧波東方理工大學(xué)(暫名)物理學(xué)院院長(zhǎng)、講席教授魏蘇淮，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所駱軍委研究員、鄧惠雄研究員研究組，以“通過(guò)降低原子化學(xué)鍵強(qiáng)度誘導(dǎo)的光學(xué)聲子軟化避免退極化效應(yīng)(Softening of the optical phonon by reduced interatomic bonding strength without depolarization)”為題的論文，發(fā)表在《Nature》雜志。

　　《Nature》也同期以“應(yīng)力可以使節(jié)能儲(chǔ)存器件成為可能(Strain could enable energy-saving memories)”為題，介紹了這項(xiàng)研究成果。該研究為未來(lái)電子器件的超小型化、高性能化開(kāi)辟了新方向，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)研究與應(yīng)用相結(jié)合的重大突破。

　　晶體管通過(guò)持續(xù)小型化提升集成度的摩爾定律已接近物理極限。主要瓶頸是晶體管功耗難以等比例降低。進(jìn)一步降低功耗有兩個(gè)主要途徑：

　　其一，尋找擁有比HfO2 等更高介電常數(shù)和更大帶隙的新型高k氧化物介電材料，在確保不降低柵控能力的前提下增厚柵介電層，遏制量子隧穿效應(yīng)引起的柵極漏電流。

　　另一個(gè)途徑，是采用鐵電/電介質(zhì)柵堆疊的負(fù)電容晶體管(NCFET)，實(shí)現(xiàn)更低的工作電壓和功耗。

　　氧化物高k介電常數(shù)和鐵電相變一個(gè)重要因素是光學(xué)聲子軟化。通常認(rèn)為，光學(xué)聲子軟化來(lái)自強(qiáng)Born有效電荷引起的長(zhǎng)程庫(kù)倫相互作用和弱的原子化學(xué)鍵，極化效應(yīng)導(dǎo)致材料的介電常數(shù)與帶隙通常成反比，難以同時(shí)擁有高介電常數(shù)和大帶隙。此外，鐵電材料受限于強(qiáng)Born有效電荷引起的界面退極化效應(yīng)，使其難以應(yīng)用于大規(guī)模集成的納米尺度器件。

　　研究團(tuán)隊(duì)注意到，rs-BeO反常地?fù)碛?0.6eV的超寬帶隙，并且其介電常數(shù)高達(dá)271?0，遠(yuǎn)超HfO2的6eV帶隙和25?0介電常數(shù)。研究揭示，由于rs-BeO中的Be原子很小，導(dǎo)致相鄰兩個(gè)負(fù)氧離子的電子云高度重疊，產(chǎn)生強(qiáng)烈的庫(kù)侖排斥力，拉升了Be-O的原子間距，顯著降低了Be-O鍵的強(qiáng)度和光學(xué)聲子模頻率，導(dǎo)致其介電常數(shù)從閃鋅礦相的3.2?0(閃鋅礦相中氧離子相距較遠(yuǎn)電子云重疊很小)躍升至271?0。

　　基于這一發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出，通過(guò)拉升原子鍵長(zhǎng)度來(lái)降低原子鍵強(qiáng)度，可有效地實(shí)現(xiàn)光學(xué)聲子模軟化。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)該方式誘導(dǎo)的光學(xué)聲子模軟化驅(qū)動(dòng)的鐵電相變，不依賴傳統(tǒng)鐵電相變所需的強(qiáng)庫(kù)侖相互作用，因此可以有效避免界面退極化效應(yīng)。

　　研究團(tuán)隊(duì)利用上述理論，成功解釋了在Si/SiO2襯底上外延生長(zhǎng)的Hf0.8Zr0.2O2和ZrO2薄膜在厚度降低到2-3nm時(shí)才出現(xiàn)鐵電性的“逆尺寸效應(yīng)”，即：當(dāng)Hf0.8Zr0.2O2或ZrO2薄膜減薄至2-3nm時(shí)，襯底晶格失配對(duì)外延薄膜施加的雙軸應(yīng)變，顯著地降低原子鍵強(qiáng)度，軟化光學(xué)聲子模使其頻率降低至零因而導(dǎo)致鐵電相變。理論預(yù)測(cè)的長(zhǎng)寬比和面間距兩個(gè)特征結(jié)構(gòu)因子可以完美重復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。

　　由于離子半徑差異、應(yīng)變、摻雜和晶格畸變都可以拉升原子鍵長(zhǎng)度降低原子鍵強(qiáng)度，該發(fā)現(xiàn)為通過(guò)離子半徑差異、應(yīng)變、摻雜或晶格畸變等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)薄膜鐵電相變，提供了統(tǒng)一的理論框架。

　　由于光學(xué)聲子模軟化是凝聚態(tài)物理中的高k介電材料、鐵電材料、熱電材料和多鐵材料等實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素，所以該研究成果為設(shè)計(jì)晶體管高k介電層和發(fā)展兼容CMOS工藝的超高密度鐵電、相變存儲(chǔ)等新原理器件提供了新思路，為未來(lái)電子器件的超小型化、高性能化開(kāi)辟了新方向。

圖. ZrO2在(101)平面雙軸應(yīng)變作用下的動(dòng)力學(xué)特性。

　　半導(dǎo)體研究所曹茹月博士為論文第一作者；寧波東方理工大學(xué)(暫名)魏蘇淮教授和半導(dǎo)體研究所駱軍委研究員、鄧惠雄研究員為共同通訊作者。其他合作者還包括劍橋大學(xué)John Robertson教授。

　　文章鏈接：

　　https://doi.org/10.1038/s41586-024-08099-0

魏蘇淮

講席教授

寧波東方理工大學(xué)(暫名)物理學(xué)院院長(zhǎng)

　　魏蘇淮1981年獲得復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，1985年獲得美國(guó)威廉瑪麗學(xué)院(College of William and Mary)理學(xué)博士學(xué)位。2015年全職回國(guó)后擔(dān)任北京計(jì)算科學(xué)研究中心講席教授，材料與能源研究部主任。他是美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)士(APS Fellow，1999)，國(guó)際材料學(xué)會(huì)(MRS Fellow，2014)會(huì)士。

　　魏蘇淮為科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃首席科學(xué)家，主持基金委重大項(xiàng)目。他還擔(dān)任了國(guó)際三元和多元化合物會(huì)議(ICTMC-22)和國(guó)際半導(dǎo)體缺陷會(huì)議(ICDS-33)大會(huì)主席。截至2024年10月，已發(fā)表論文600余篇，其中70余篇發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上，被引用次數(shù)超過(guò)80000次，H指數(shù)大于137(Google Scholar)。

　　魏蘇淮長(zhǎng)期從事凝聚態(tài)物理的理論計(jì)算研究，通過(guò)發(fā)展第一性原理計(jì)算方法，在半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)、無(wú)序合金、缺陷和摻雜、磁性半導(dǎo)體、光電及能源材料等方面取得了系統(tǒng)的原創(chuàng)性成果。他與合作者發(fā)展的第一性原理全電子、全勢(shì)的FLAPW方法是目前計(jì)算固體電子結(jié)構(gòu)最精確的方法；他與合作者提出的計(jì)算無(wú)序合金物理性質(zhì)的特殊準(zhǔn)隨機(jī)結(jié)構(gòu)(SQS)方法是目前第一性原理計(jì)算合金性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)方法；他發(fā)展了第一性原理半導(dǎo)體缺陷計(jì)算方法，與合作者建立了半導(dǎo)體平衡態(tài)摻雜極限定則。