突破晶体管功耗难题的新希望

光学声子软化，是凝聚态物理中非常重要的现象，与材料介电常数、晶体结构相变、铁电性相变、热电材料的热导率等重要领域相关。

但长期以来理论认为，光学声子软化的产生会同时引发材料的界面退极化效应，严重限制材料在纳米尺度器件大规模集成的实际应用。

近日，中国科学院半导体研究所提出一种光学声子软化新理论，能避免过去八十年来理论认为无法克服的界面退极化效应，有望以源头理论创新，推动高密度电子器件的设计与研发，该成果发表于《自然》。

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传统认知中的双刃剑

什么是光学声子软化？晶体中的原子并不是静止不动的，光学声子，是晶体中正负离子相对振动时产生的一种特殊声子模式。当晶体光学声子模的振动频率不断降低直至零以下时，会导致晶格的动态不稳定，这种现象就是“光学声子软化”。形象地说，光学声子软化，就是光学声子的振动由“激昂强烈”变得“缓慢柔和”的现象。

然而，长期以来的认知却使光学声子软化的“潜能”得不到发挥，通常认为只有当长程库伦作用（较长距离范围内带电粒子之间的静电相互作用）较强、超越短程原子键强度时，才会产生光学声子软化。

这一过程也会产生“副作用”，引起界面的退极化效应，导致铁电性在纳米尺度消失，以及材料难以同时拥有高介电常数和大带隙。这犹如一道无法跨越的障碍，严重限制了技术的进一步发展。

02

反常中获得新突破

科研人员在工作中注意到，岩盐矿结构的氧化铍（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，均远高于当前集成电路中使用的新型高k氧化物介电材料二氧化铪（HfO2）的带隙（6eV）和介电常数（25 ɛ0）。

通过进一步研究，科研人员揭示出这一反常的起源：由于rs-BeO中的Be原子很小导致相邻两个氧原子的电子云高度重叠，产生强烈的库仑排斥力，拉升了原子间距，显著降低了原子键的强度和光学声子模频率，导致其介电常数从闪锌矿相的3.2 ɛ0（闪锌矿相中相邻氧原子相距较远电子云重叠很小）跃升至271 ɛ0。

▲岩盐矿(rs-) BeO的反常现象及起源

基于这一发现，科研人员创新性地提出，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。由于这一光学声子软化驱动的铁电相变不依赖于强库仑作用，因此可以有效避免界面退极化效应。

离子半径差异、应变、掺杂、晶格畸变等现有的常规、成熟路径，都可以拉升原子键长度降低原子键强度。也就是说，这一光学声子软化方案具备从理论转向应用的实现基础。

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新技术应时而生

众所周知的“‌‌摩尔定律”认为，‌集成电路上可以容纳的‌晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍。然而，每过一段时间，摩尔定律就会遇到新的障碍，陷入止步不前的局面，应变硅、高k栅介电层、FinFET晶体管等创新不断地拯救摩尔定律。

当前，通过晶体管持续小型化以提升集成度的摩尔定律已接近物理极限，主要问题在于晶体管功耗难以等比例降低。

新的光学声子软化理论，对于解决集成电路晶体管高k介电材料、铁电材料的应用难点，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具有重要意义。

相信在不久的将来，这一新理论成果将在高密存储器、传感器和纳米电子器件中得到广泛应用，为我们的生活创造更多便利。