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

現(xiàn)代場(chǎng)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(dòng)著的電子為例，因?yàn)槠涿芏缺容^低，類似于氣體的定義，科學(xué)界把它稱為“電子氣體（electron gas）”，簡(jiǎn)稱“電子氣”。

隨著人類對(duì)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(jìn)，目前已接近受量子力學(xué)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(diǎn)。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(xué)性質(zhì)優(yōu)異，而且功能遠(yuǎn)比硅更加豐富，在發(fā)展下一代場(chǎng)效應(yīng)晶體管方面被給予厚望。

近日，浙江大學(xué)物理學(xué)系百人計(jì)劃研究員謝燕武課題組，聯(lián)合浙江大學(xué)電鏡中心田鶴課題組、張澤院士以及美國(guó)斯坦福大學(xué)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(xiàng)研究為氧化物電子器件的發(fā)展提供一個(gè)新的實(shí)用平臺(tái)。

這項(xiàng)工作近日被刊發(fā)在國(guó)際知名雜志《自然·通訊》（Nature Communications）上，浙江大學(xué)物理學(xué)系2016級(jí)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(xué)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(yàn)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(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，也是上述“高速公路”實(shí)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(gè)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(jì)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(jìng)爭(zhēng)者之一。從已有的各種結(jié)果看，鈦酸鍶是實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(dòng)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(duì)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(gè)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(xué)界尚有爭(zhēng)議。

針對(duì)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(jī)制研究，對(duì)已知存在電子氣的界面體系進(jìn)行一一重復(fù)試驗(yàn)，并探索了大量新的界面體系。在長(zhǎng)達(dá)兩年多的實(shí)驗(yàn)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(duì)這一界面體系進(jìn)行了深入細(xì)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(tuán)隊(duì)給出了一種可能的解釋，但還需要更加深入的研究和驗(yàn)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(tuán)隊(duì)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(gè)大缺點(diǎn)，“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(shí)驗(yàn)室常見溶劑，電子氣的濃度就變了，吹干了也不行。

在對(duì)界面電子氣物理機(jī)制的研究中，浙大團(tuán)隊(duì)把“洗澡”作為一個(gè)檢測(cè)手段，給每一新合成的組合都“洗個(gè)澡”，然后烘干測(cè)試電輸運(yùn)性質(zhì)的變化。這樣才意外地發(fā)現(xiàn)了這個(gè)“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(tuán)隊(duì)表示，目前的實(shí)驗(yàn)表明，“新界面電子氣”對(duì)環(huán)境變化（如溫度、濕度、氧壓、溶劑等）都不敏感，這對(duì)于制作電子器件來說是一個(gè)極大的利好，可以避免制備中間過程對(duì)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(jiǎn)單的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，為將來實(shí)現(xiàn)更加全面的應(yīng)用提供了參考。

簡(jiǎn)單場(chǎng)效應(yīng)晶體管的示意圖和調(diào)控效果

浙大團(tuán)隊(duì)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(shì)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(duì)調(diào)控界面電子氣來說很有優(yōu)勢(shì)。

這項(xiàng)研究受到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助。

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