负电容互补场效应晶体管(NC-CFET)设计优化的新见解：MFIS与MFMIS构型在超薄HZO铁电层中的性能比较与创新设计

《IEEE Journal of the Electron Devices Society》：Insights Into Design Optimization of Negative Capacitance Complementary-FET (CFET)

本刊推荐：为突破CFET架构在超薄铁电层集成中的性能瓶颈，研究人员开展了负电容CFET的MFIS与MFMIS构型系统性研究。通过实验校准的Landau-Khalatnikov模型模拟发现，MFMIS-NC-CFET因共用栅极导致亚阈值区改进受限，进而提出仅顶部堆叠铁电的创新设计（FEoT-NC-CFET）。该设计使铁电面积降低5.3倍，在采用高剩余极化（QR=4.5μC/cm2）铁电层时，可显著改善电容匹配度与亚阈值摆幅（SS），为未来能效电子器件设计提供新思路。

　　

随着互补金属氧化物半导体(CMOS)技术从FinFET、纳米片(NS)晶体管向互补场效应晶体管(CFET)演进，器件尺寸微缩面临短沟道效应(SCE)的严峻挑战。尤其在超低功耗(ULP)应用场景下，传统晶体管的亚阈值摆幅(SS)受限于玻尔兹曼极限，制约了能效提升。将具有负电容(NC)特性的铁电(FE)材料集成到栅极堆叠中，被视为突破这一瓶颈的关键路径——通过铁电电容(C_FE<0)与基准器件电容(C_MOS)的匹配（即|C_FE|>C_MOS），可实现SS<60mV/dec的理想开关特性。然而，当这一技术应用于CFET架构时，其特有的n-FET与p-FET垂直堆叠结构引发了新的物理问题：在金属-铁电-金属-绝缘体-半导体(MFMIS)构型中，共用内部栅极会使铁电极化电荷密度(Q_P)同时受n型与p型器件沟道电荷调制，导致亚阈值区性能优化空间受限。

为厘清这一核心问题，台湾阳明交通大学的研究团队Sandeep Semwal与Pin Su在《IEEE Journal of the Electron Devices Society》发表研究，基于实验校准的Landau-Khalatnikov模型，对超薄（1.5nm）单晶铪锆氧化物(HZO)铁电层的NC-CFET展开系统性仿真。研究首次揭示：传统MFMIS-NC-CFET因内部栅极面积过大（1656nm2），导致铁电电容|C_FE|始终高于基准电容，造成电容匹配失衡；而创新性提出仅顶部堆叠铁电的FEoT-NC-CFET设计，通过将铁电面积缩减至312nm2（降幅达5.3倍），成功实现电容匹配优化，在采用高剩余极化铁电层（Q_R=4.5μC/cm2）时，其导通电流(I_ON)较传统MFMIS结构提升5倍。

关键技术方法包括：采用Sentaurus TCAD工具进行3D量子修正密度梯度仿真，校准1.5nmHZO铁电层的Landau-Khalatnikov模型参数（α=-3.82×10¹¹cm/F，β=2.18×10²²cm⁵/FC2，γ=1.93×10³³cm⁹/FC?）；对比分析MFIS、MFMIS及FEoT三种NC-CFET构型；通过调节铁电参数（E_C、Q_R、T_FE）优化电容匹配。

MFIS与MFMIS NC-CFET的性能对比

仿真结果表明，MFIS-NC-CFET通过铁电层单独包裹n-FET/p-FET栅氧，使Q_P仅受单一沟道电荷调控，在亚阈值区实现关态电流(I_OFF)降低2.5倍；而MFMIS-NC-CFET因共用栅极导致Q_P被n/p型器件电荷中和，使|C_FE|持续偏高，仅实现导通电流提升2.5倍，亚阈值摆幅改善微弱。

FEoT NC-CFET的电容匹配优化机制

FEoT构型通过缩减铁电面积，使|C_FE|在栅压(V_GS)<0.31V时显著低于C_MOS，实现亚阈值摆幅降至48mV/dec，电压放大系数(A_V=dV_IN/dV_GS)大幅提升。但受限于低剩余极化（Q_R=3.0μC/cm2），负电容效应仅维持于低栅压区间。

高剩余极化铁电层的性能突破

当采用Q_R=4.5μC/cm2的铁电层（FE-2）时，FEoT-NC-CFET的负电容区间扩展至V_GS<0.48V，导通电流提升近5倍，虽因|C_FE|增强导致SS略升至67mV/dec，但整体性能显著优于传统构型。

MFIS NC-CFET的参数优化策略

对于无法调节铁电面积的MFIS构型，研究提出通过提升矫顽场(E_C+20%)或增加铁电厚度(T_FE=2.5nm)以增强电容匹配，使I_ON提升55%，SS优化至接近理论极限。

本研究通过构型创新与参数协同优化，揭示了NC-CFET在超薄铁电层集成中的设计准则：FEoT构型凭借面积可调优势成为MFMIS架构的最优解，而MFIS构型需依赖铁电本征参数优化。该工作为突破CFET技术节点的能效瓶颈提供了理论依据与实现路径，推动负电容器件向实际应用迈出关键一步。