近日，中国科学院半导体研究所骆军委研究员团队取得了一项重大科研成果，他们在理论上阐明了岩盐矿结构rs - BeO同时拥有超高介电常数和超宽带隙的原因，并创新性地提出了免于退极化效应的光学声子软化新理论，为解决晶体管功耗难题带来了新希望。该纯理论的研究成果于10月30日在线发表于国际顶级学术期刊《自然》（Nature）。

随着电子设备向小型化、轻薄化发展，人们对低功耗、高集成度器件与技术的探索不断深入。在半导体领域，晶体管持续小型化的摩尔定律已近物理极限，主要瓶颈在于晶体管功耗难以等比例降低。降低功耗的途径之一是寻找新型高 k 氧化物介电材料，在不改变栅控能力的前提下用更厚的栅介电层来遏制量子隧穿效应引起的栅极漏电流，另一个途径是采用铁电 / 电介质栅堆叠的负电容晶体管。氧化物高 k 介电常数与铁电相变都源于光学声子软化，但传统理论认为，光学声子软化会引发材料的界面退极化效应，导致铁电性在纳米尺度消失，且材料难以同时拥有高介电常数和大带隙，这严重限制了相关材料在纳米尺度器件大规模集成中的应用。然而，中科院半导体研究所骆军委研究员团队的研究带来了新的突破契机。

骆军委研究员在 1996 - 2006 年期间，先后在浙江大学物理系和中国科学院半导体研究所完成学业，获物理学学士、理论物理硕士及凝聚态物理博士学位，其博士学位论文研究聚焦半导体纳米结构电子结构计算。此后在美国可再生能源国家实验室工作七年之后于2014年全职回国工作，在半导体理论研究积累了丰富经验。凭借扎实的学术背景和丰富的实践经验，骆军委带领团队在半导体材料与器件物理研究领域深入探索，针对后摩尔硅器件面临的众多关键难题展开了一系列具有创新性的研究工作，致力于寻找突破传统限制的新理论和新方法。

图1 岩盐矿(rs-) BeO的反常现象及起源

团队联合前美国同事现就职于宁波东方理工大学的魏苏淮教授展开了一系列研究。首先，韩国科学家通过高通量计算发现岩盐矿（rs - ）BeO 具有反常特性，其拥有 10.6 eV 禁带宽度和高达271的介电常数，两者均远超当前集成电路使用的高k介电氧化物 HfO₂。本研究进一步揭示，由于Be原子半径过小，相邻氧原子电子云高度重叠产生强烈库伦排斥力，使rs - BeO晶格常数大于基于离子半径的经验预测值（图1），显著降低了原子键强度和光学声子模频率，致使其介电常数大幅跃升。基于此发现，研究团队创新性地提出通过拉伸原子键降低化学键强度实现光学声子软化的新理论，该理论不依赖传统光学声子软化所需的极大Born有效电荷，可以有效避免界面退极化效应。

图2 ZrO2在(101)平面双轴应变作用下的动力学特性

接着，研究团队运用该理论解释了在Si/SiO₂衬底上生长的Hf0.8Zr0.2O2和 ZrO₂超薄膜所具有的铁电相变反尺寸效应。实验发现，只有当这些薄膜的厚度减至2 - 3nm时才发生铁电相变，且不受传统铁电材料的界面退极化效应限制。这是因为Si/SiO₂衬底晶格失配使薄膜受到显著的双轴应变，导致原子键强度大幅减弱引起光学声子软化导致铁电相变，超过临界厚度后应变通过位错和晶界松弛，原子键强度恢复正常光学声子硬化，薄膜转变为非铁电相。通过第一原理计算发现，施加在ZrO₂（101）平面上的双轴应变可软化TO声子模（图2），如在-5.8% 压缩应变下，平面内四个Zr - O键缩短，而平面外四个键则变长，导致相应的面外光学声子模软化，体系转变为铁电相产生自发极化。

图3 Si衬底外延生长的ZrO2和Hf0.8Zr0.2O2铁电薄膜与双轴应变诱导的铁电相变对比

为了与实验数据对比，研究团队研究了HfO₂和ZrO₂超薄膜的长宽比和面间距两个结构因子随应变的依赖性（图3）。计算表明，对ZrO₂施加拉伸应变和压缩应变都会使长宽比和面间距跳变，铁电相变分别发生在 3.2% 拉伸应变和-5.8% 压缩应变附近，其中-5.8% 压缩应变的结果与实验测量值高度吻合，HfO₂薄膜也呈现相似规律。

中科院半导体所骆军委课题组与宁波东方理工大学魏苏淮教授合作研究提出的光学声子软化新方法不依赖传统强库仑作用，有效避免了界面退极化效应，解决了传统铁电材料在纳米尺度下的失效问题，为铁电材料应用于原子尺度器件提供可能。同时，为通过离子半径差异、应变、掺杂或晶格畸变等手段实现薄膜铁电相变提供了统一理论框架，对凝聚态物理相关材料发展意义重大，为CMOS 芯片的高k介电层、铁电晶体管等新原理半导体器件发展提供新思路，推动未来电子器件向小型化、高性能化发展。

除了提出免于退极化效应的光学声子软化新理论之外，骆军委研究员还提出了被认为将改写教科书的隐藏自旋极化新理论并启发了众多新隐藏物理的发现，提出了硅电子量子比特面临的能谷劈裂瓶颈解决方案和发现锗空穴量子比特实现超快全电操控的自旋轨道耦合效应，提出了掺杂应变锗直接带隙的硅基发光新方案，提出了硅晶体管接触电阻瓶颈问题的理论解决方案。他发表大量高质量论文，积极推动后摩尔时代硅技术的研究发展。

骆军委研究员此次带领团队提出的光学声子软化新理论，无疑是在半导体物理研究领域的又一重大突破，不仅为解决当前晶体管功耗瓶颈提供了全新的理论思路，也为我国在半导体基础研究和自主创新道路上迈出了坚实的一步，对我国半导体产业的发展具有重要的推动作用。未来，期待这一理论成果能够加速落地转化，为我国乃至全球的半导体技术发展注入新的活力。(文娟)

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