近日，中國科學院半導體研究所駱軍委研究員團隊取得了一項重大科研成果，他們在理論上闡明了巖鹽礦結構rs - BeO同時擁有超高介電常數和超寬帶隙的原因，并創新性地提出了免于退極化效應的光學聲子軟化新理論，為解決晶體管功耗難題帶來了新希望。該純理論的研究成果于10月30日在線發表于國際頂級學術期刊《自然》（Nature）。

隨著電子設備向小型化、輕薄化發展，人們對低功耗、高集成度器件與技術的探索不斷深入。在半導體領域，晶體管持續小型化的摩爾定律已近物理極限，主要瓶頸在于晶體管功耗難以等比例降低。降低功耗的途徑之一是尋找新型高 k氧化物介電材料，在不改變柵控能力的前提下用更厚的柵介電層來遏制量子隧穿效應引起的柵極漏電流，另一個途徑是采用鐵電 /電介質柵堆疊的負電容晶體管。氧化物高 k介電常數與鐵電相變都源于光學聲子軟化，但傳統理論認為，光學聲子軟化會引發材料的界面退極化效應，導致鐵電性在納米尺度消失，且材料難以同時擁有高介電常數和大帶隙，這嚴重限制了相關材料在納米尺度器件大規模集成中的應用。然而，中科院半導體研究所駱軍委研究員團隊的研究帶來了新的突破契機。

駱軍委研究員在 1996 - 2006年期間，先后在浙江大學物理系和中國科學院半導體研究所完成學業，獲物理學學士、理論物理碩士及凝聚態物理博士學位，其博士學位論文研究聚焦半導體納米結構電子結構計算。此后在美國可再生能源國家實驗室工作七年之后于2014年全職回國工作，在半導體理論研究積累了豐富經驗。憑借扎實的學術背景和豐富的實踐經驗，駱軍委帶領團隊在半導體材料與器件物理研究領域深入探索，針對后摩爾硅器件面臨的眾多關鍵難題展開了一系列具有創新性的研究工作，致力于尋找突破傳統限制的新理論和新方法。

團隊聯合前美國同事現就職于寧波東方理工大學的魏蘇淮教授展開了一系列研究。首先，韓國科學家通過高通量計算發現巖鹽礦（rs - ）BeO具有反常特性，其擁有 10.6 eV禁帶寬度和高達271的介電常數，兩者均遠超當前集成電路使用的高k介電氧化物 HfO?。本研究進一步揭示，由于Be原子半徑過小，相鄰氧原子電子云高度重疊產生強烈庫倫排斥力，使rs - BeO晶格常數大于基于離子半徑的經驗預測值（圖1），顯著降低了原子鍵強度和光學聲子模頻率，致使其介電常數大幅躍升。基于此發現，研究團隊創新性地提出通過拉伸原子鍵降低化學鍵強度實現光學聲子軟化的新理論，該理論不依賴傳統光學聲子軟化所需的極大Born有效電荷，可以有效避免界面退極化效應。

接著，研究團隊運用該理論解釋了在Si/SiO?襯底上生長的Hf0.8Zr0.2O2和 ZrO?超薄膜所具有的鐵電相變反尺寸效應。實驗發現，只有當這些薄膜的厚度減至2 - 3nm時才發生鐵電相變，且不受傳統鐵電材料的界面退極化效應限制。這是因為Si/SiO?襯底晶格失配使薄膜受到顯著的雙軸應變，導致原子鍵強度大幅減弱引起光學聲子軟化導致鐵電相變，超過臨界厚度后應變通過位錯和晶界松弛，原子鍵強度恢復正常光學聲子硬化，薄膜轉變為非鐵電相。通過第一原理計算發現，施加在ZrO?（101）平面上的雙軸應變可軟化TO聲子模（圖2），如在-5.8%壓縮應變下，平面內四個Zr - O鍵縮短，而平面外四個鍵則變長，導致相應的面外光學聲子模軟化，體系轉變為鐵電相產生自發極化。

為了與實驗數據對比，研究團隊研究了HfO?和ZrO?超薄膜的長寬比和面間距兩個結構因子隨應變的依賴性（圖3）。計算表明，對ZrO?施加拉伸應變和壓縮應變都會使長寬比和面間距跳變，鐵電相變分別發生在 3.2%拉伸應變和-5.8%壓縮應變附近，其中-5.8%壓縮應變的結果與實驗測量值高度吻合，HfO?薄膜也呈現相似規律。

中科院半導體所駱軍委課題組與寧波東方理工大學魏蘇淮教授合作研究提出的光學聲子軟化新方法不依賴傳統強庫侖作用，有效避免了界面退極化效應，解決了傳統鐵電材料在納米尺度下的失效問題，為鐵電材料應用于原子尺度器件提供可能。同時，為通過離子半徑差異、應變、摻雜或晶格畸變等手段實現薄膜鐵電相變提供了統一理論框架，對凝聚態物理相關材料發展意義重大，為CMOS芯片的高k介電層、鐵電晶體管等新原理半導體器件發展提供新思路，推動未來電子器件向小型化、高性能化發展。

除了提出免于退極化效應的光學聲子軟化新理論之外，駱軍委研究員還提出了被認為將改寫教科書的隱藏自旋極化新理論并啟發了眾多新隱藏物理的發現，提出了硅電子量子比特面臨的能谷劈裂瓶頸解決方案和發現鍺空穴量子比特實現超快全電操控的自旋軌道耦合效應，提出了摻雜應變鍺直接帶隙的硅基發光新方案，提出了硅晶體管接觸電阻瓶頸問題的理論解決方案。他發表大量高質量論文，積極推動后摩爾時代硅技術的研究發展。

駱軍委研究員此次帶領團隊提出的光學聲子軟化新理論，無疑是在半導體物理研究領域的又一重大突破，不僅為解決當前晶體管功耗瓶頸提供了全新的理論思路，也為我國在半導體基礎研究和自主創新道路上邁出了堅實的一步，對我國半導體產業的發展具有重要的推動作用。未來，期待這一理論成果能夠加速落地轉化，為我國乃至全球的半導體技術發展注入新的活力。(文娟)