芯片最底層、處于核心地位的架構(gòu)是場效應(yīng)晶體管，它在這個重要的“大腦”中高速開展著數(shù)據(jù)儲存與運算。

現(xiàn)代場效應(yīng)晶體管主要由半導(dǎo)體材料（Semiconductor）硅構(gòu)筑，在硅與絕緣氧化物（Oxide）界面鋪設(shè)了一條可供電子（或空穴）奔跑的“高速公路”，結(jié)合金屬電極（Metal）控制“公路”的“開”和“關(guān)”，搭建信息處理的基層MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）結(jié)構(gòu)。在這條“高速公路”里，以流動著的電子為例，因為其密度比較低，類似于氣體的定義，科學界把它稱為“電子氣體（electron gas）”，簡稱“電子氣”。

隨著人類對芯片應(yīng)用需求的不斷提升，科研人員不斷將硅基MOS結(jié)構(gòu)向小型化方向推進，目前已接近受量子力學原理限制的瓶頸。尋找能夠超越硅的新材料是各方關(guān)注的熱點。鈦酸鍶正是這樣一種極有潛力的氧化物材料，它不僅物理化學性質(zhì)優(yōu)異，而且功能遠比硅更加豐富，在發(fā)展下一代場效應(yīng)晶體管方面被給予厚望。

近日，浙江大學物理學系百人計劃研究員謝燕武課題組，聯(lián)合浙江大學電鏡中心田鶴課題組、張澤院士以及美國斯坦福大學Harold Hwang教授，首次發(fā)現(xiàn)在鈦酸鍶與鉿酸鈣異質(zhì)界面存在一種與鈦酸鍶終止面無關(guān)的，且又極為穩(wěn)定的電子氣。這項研究為氧化物電子器件的發(fā)展提供一個新的實用平臺。

這項工作近日被刊發(fā)在國際知名雜志《自然·通訊》（Nature Communications）上，浙江大學物理學系2016級博士生張蒙和電鏡中心博士生杜凱為文章共同第一作者，物理學系謝燕武研究員和電鏡中心田鶴研究員為文章共同通訊作者。

試驗20多種材料后，偶然發(fā)現(xiàn)新材料

半導(dǎo)體工業(yè)是現(xiàn)代社會發(fā)展和科技進步的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，也是上述“高速公路”實現(xiàn)的主要途徑。但是隨著技術(shù)手段的不斷提升和換代，越來越接近摩爾定律的極限，整個半導(dǎo)體器件工業(yè)的性能提升和突破變得越來越困難。尋找具有類似特性的功能材料和器件設(shè)計就被研究人員逐步提上了日程。

氧化物電子器件是下一代功能性器件的有力競爭者之一。從已有的各種結(jié)果看，鈦酸鍶是實驗室條件下替代硅的重要候選材料之一。作為早期人造寶石材料來源的鈦酸鍶，其單晶基片本身是絕緣的，被廣泛應(yīng)用于生長高溫超導(dǎo)等復(fù)雜氧化物薄膜。2004年Harold Hwang教授等人意外地發(fā)現(xiàn)絕緣的鋁酸鑭薄膜和絕緣的鈦酸鍶基片結(jié)合在一起后界面卻出現(xiàn)了高遷移率的電子氣。這一轟動性的發(fā)現(xiàn)掀起了鈦酸鍶界面電子氣研究的熱潮。    

隨著研究的持續(xù)深入，科研人員發(fā)現(xiàn)，電子氣只偏愛氧化鈦終止面（表面）的鈦酸鍶。對于氧化鍶終止面的鈦酸鍶，盡管它與氧化鈦終止面的鈦酸鍶僅僅表面一個原子層有差別，但是電子氣卻了無蹤影。此外，關(guān)于電子氣的來源，目前學界尚有爭議。

針對這一狀況，謝燕武課題組系統(tǒng)地開展了鈦酸鍶相關(guān)界面電子氣物理機制研究，對已知存在電子氣的界面體系進行一一重復(fù)試驗，并探索了大量新的界面體系。在長達兩年多的實驗中，課題組偶然發(fā)現(xiàn)了一種神奇的材料，鉿酸鈣，其不再“挑剔”，在兩種終止面（氧化鍶和氧化鈦）的鈦酸鍶基片上都能產(chǎn)生高遷移率的電子氣。浙大電鏡中心的田鶴課題組和張澤院士對這一界面體系進行了深入細致的表征分析。

這是截至目前發(fā)現(xiàn)的唯一具有如此性質(zhì)的氧化物界面體系，至于這種特殊性質(zhì)的來源，浙大團隊給出了一種可能的解釋，但還需要更加深入的研究和驗證。

兩種終止面樣品的結(jié)構(gòu)表征

極度穩(wěn)定，為器件應(yīng)用打下基礎(chǔ)

浙大團隊表示，以往發(fā)現(xiàn)的鈦酸鍶界面電子氣雖然具有極為有趣的物理性質(zhì)，但有一個大缺點，“不愛洗澡”。 盡管結(jié)構(gòu)本身非常穩(wěn)定，但是一旦碰到水、酒精、丙酮等這些實驗室常見溶劑，電子氣的濃度就變了，吹干了也不行。

在對界面電子氣物理機制的研究中，浙大團隊把“洗澡”作為一個檢測手段，給每一新合成的組合都“洗個澡”，然后烘干測試電輸運性質(zhì)的變化。這樣才意外地發(fā)現(xiàn)了這個“不怕洗澡”的鉿酸鈣與鈦酸鍶界面組合。

“給新樣品洗完澡，我們發(fā)現(xiàn)‘不怕水’?！?張蒙笑著說。

浙大團隊表示，目前的實驗表明，“新界面電子氣”對環(huán)境變化（如溫度、濕度、氧壓、溶劑等）都不敏感，這對于制作電子器件來說是一個極大的利好，可以避免制備中間過程對器件性能的影響。值得一提的是，研究人員文中提到已經(jīng)成功利用該體系做出了簡單的場效應(yīng)晶體管，為將來實現(xiàn)更加全面的應(yīng)用提供了參考。

簡單場效應(yīng)晶體管的示意圖和調(diào)控效果

浙大團隊表示，鉿酸鈣與鈦酸鍶異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)是非常好的研究體系，其優(yōu)勢在于界面電子氣的出現(xiàn)與基片終止面無關(guān)，具有極高的穩(wěn)定性，并且該體系中鉿酸鈣材料本身也是一種優(yōu)良的介電材料，對調(diào)控界面電子氣來說很有優(yōu)勢。

這項研究受到科技部重點研發(fā)計劃和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助。

論文鏈接：https://www_nature.gg363.site/articles/s41467-019-12036-5