突破晶體管功耗難題新希望之光學(xué)聲子軟化

光學(xué)聲子軟化是光學(xué)聲子的振動由“激昂強(qiáng)烈”變得“緩慢柔和”的現(xiàn)象，一般會引起材料的界面退極化效應(yīng)，但通過拉升原子鍵降低化學(xué)鍵強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)光學(xué)聲子軟化可以有效避免界面退極化效應(yīng)，解決集成電路器件的應(yīng)用難點(diǎn)，以及發(fā)展新原理器件具有重要意義。

光學(xué)聲子軟化，是凝聚態(tài)物理中非常重要的現(xiàn)象，與材料介電常數(shù)、晶體結(jié)構(gòu)相變、鐵電性相變、熱電材料的熱導(dǎo)率等重要領(lǐng)域相關(guān)。

但長期以來理論認(rèn)為，光學(xué)聲子軟化的產(chǎn)生會同時引發(fā)材料的界面退極化效應(yīng)，嚴(yán)重限制材料在納米尺度器件大規(guī)模集成的實(shí)際應(yīng)用。

近日，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所提出一種光學(xué)聲子軟化新理論，能避免過去八十年來理論認(rèn)為無法克服的界面退極化效應(yīng)，有望以源頭理論創(chuàng)新，推動高密度電子器件的設(shè)計與研發(fā)，該成果發(fā)表于《自然》。

01 傳統(tǒng)認(rèn)知中的雙刃劍

什么是光學(xué)聲子軟化？晶體中的原子并不是靜止不動的，光學(xué)聲子，是晶體中正負(fù)離子相對振動時產(chǎn)生的一種特殊聲子模式。當(dāng)晶體光學(xué)聲子模的振動頻率不斷降低直至零以下時，會導(dǎo)致晶格的動態(tài)不穩(wěn)定，這種現(xiàn)象就是“光學(xué)聲子軟化”。形象地說，光學(xué)聲子軟化，就是光學(xué)聲子的振動由“激昂強(qiáng)烈”變得“緩慢柔和”的現(xiàn)象。

然而，長期以來的認(rèn)知卻使光學(xué)聲子軟化的“潛能”得不到發(fā)揮，通常認(rèn)為只有當(dāng)長程庫倫作用（較長距離范圍內(nèi)帶電粒子之間的靜電相互作用）較強(qiáng)、超越短程原子鍵強(qiáng)度時，才會產(chǎn)生光學(xué)聲子軟化。

這一過程也會產(chǎn)生“副作用”，引起界面的退極化效應(yīng)，導(dǎo)致鐵電性在納米尺度消失，以及材料難以同時擁有高介電常數(shù)和大帶隙。這猶如一道無法跨越的障礙，嚴(yán)重限制了技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

02 反常中獲得新突破

科研人員在工作中注意到，巖鹽礦結(jié)構(gòu)的氧化鈹（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)，均遠(yuǎn)高于當(dāng)前集成電路中使用的新型高k氧化物介電材料二氧化鉿（HfO2）的帶隙（6 eV）和介電常數(shù)（25??0）。

通過進(jìn)一步研究，科研人員揭示出這一反常的起源：由于rs-BeO中的Be原子很小導(dǎo)致相鄰兩個氧原子的電子云高度重疊，產(chǎn)生強(qiáng)烈的庫侖排斥力，拉升了原子間距，顯著降低了原子鍵的強(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（閃鋅礦相中相鄰氧原子相距較遠(yuǎn)電子云重疊很?。┸S升至271??0。

▲巖鹽礦(rs-) BeO的反?，F(xiàn)象及起源

基于這一發(fā)現(xiàn)，科研人員創(chuàng)新性地提出，通過拉升原子鍵降低化學(xué)鍵強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)光學(xué)聲子軟化的新理論。由于這一光學(xué)聲子軟化驅(qū)動的鐵電相變不依賴于強(qiáng)庫侖作用，因此可以有效避免界面退極化效應(yīng)。

離子半徑差異、應(yīng)變、摻雜、晶格畸變等現(xiàn)有的常規(guī)、成熟路徑，都可以拉升原子鍵長度降低原子鍵強(qiáng)度。也就是說，這一光學(xué)聲子軟化方案具備從理論轉(zhuǎn)向應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。

03 新技術(shù)應(yīng)時而生

眾所周知的“??摩爾定律”認(rèn)為，?集成電路上可以容納的?晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過18個月到24個月便會增加一倍。然而，每過一段時間，摩爾定律就會遇到新的障礙，陷入止步不前的局面，應(yīng)變硅、高k柵介電層、FinFET晶體管等創(chuàng)新不斷地拯救摩爾定律。

當(dāng)前，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，主要問題在于晶體管功耗難以等比例降低。

新的光學(xué)聲子軟化理論，對于解決集成電路晶體管高k介電材料、鐵電材料的應(yīng)用難點(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具有重要意義。

相信在不久的將來，這一新理論成果將在高密存儲器、傳感器和納米電子器件中得到廣泛應(yīng)用，為我們的生活創(chuàng)造更多便利。