IT之家 11 月 7 日消息，隨著集成電路工藝不斷推進(jìn)，摩爾定律所描述的晶體管小型化帶來的性能提升已逐漸逼近物理極限。然而更棘手的問題在于，晶體管的功耗并沒有隨著尺寸縮小而等比例降低。
研究人員提出，可以通過開發(fā)新型高 k 氧化物介電材料或采用鐵電 / 電介質(zhì)柵堆疊的負(fù)電容晶體管來降低工作電壓功耗，但這兩條路徑都面臨一個(gè)共同的挑戰(zhàn)：如何平衡高介電常數(shù)和寬帶隙。
目前，這兩種材料屬性的提升都依賴于光學(xué)聲子軟化，而這種現(xiàn)象的出現(xiàn)通常伴隨著介電常數(shù)與帶隙的此消彼長，以及界面退極化效應(yīng)，限制了材料的實(shí)際應(yīng)用。
科學(xué)家此前認(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(shí)，才會(huì)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(shí)擁有高介電常數(shù)和大帶隙，引起界面退極化效應(yīng)。
中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員駱軍委團(tuán)隊(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)光學(xué)聲子軟化的新理論。相關(guān)研究成果已于 10 月 31 日發(fā)表在《自然》上（IT之家附 DOI:10.1038 / s41586-024-08099-0）。
研究發(fā)現(xiàn)，rs-BeO 反常地?fù)碛?10.6 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(gè)氧原子的電子云高度重疊，同時(shí)，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。基于這一發(fā)現(xiàn)，該團(tuán)隊(duì)提出了通過拉升原子鍵長度來降低原子鍵強(qiáng)度從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)聲子模軟化的新理論，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(chǔ)等新原理器件提供了新思路。
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