铁电延迟效应对负电容晶体管瞬态特性及逻辑电路性能影响研究

《IEEE Access》：Analysis of Transient Response of Negative Capacitance Field-Effect Transistor

本文针对负电容场效应晶体管（NCFET）在高频工作下因铁电层极化切换延迟导致的性能退化问题，通过TCAD仿真系统分析了铁电本征延迟对器件阈值电压（Vth）、亚阈值摆幅（SS）及电路噪声容限、传输特性的影响。研究发现当极化延迟参数ρ≥102Ω·cm时，NCFET的SS恶化至82.3 mV/decade，逆变器噪声容限降低29%，环形振荡器频率波动达14.3 GHz。该研究为高频低功耗NCFET电路设计提供了关键理论依据。

　　

随着人工智能芯片算力需求的爆炸式增长，半导体行业正面临功耗墙的严峻挑战。传统MOSFET的亚阈值摆幅受限于玻尔兹曼 tyranny，无法突破60 mV/decade的理论极限，导致芯片在低电压工作时开关效率急剧下降。负电容场效应晶体管（NCFET）通过引入铁电材料产生的负电容效应，理论上可实现亚60 mV/decade的陡峭开关特性，成为后摩尔时代低功耗器件的重要候选方案。然而当器件工作频率提升至GHz级别时，铁电材料的极化切换延迟效应如同缓慢转动的齿轮，难以跟上电信号的高速变化节奏，这种“时空错位”如何影响器件与电路的动态性能，成为制约NCFET实际应用的关键科学问题。

为系统解析这一难题，韩国西江大学研究团队在《IEEE Access》发表最新研究，通过技术计算机辅助设计（TCAD）仿真构建了22 nm节点双栅极NCFET模型，采用金属-铁电-绝缘体-半导体（MFIS）结构，其中铪锆氧化物（HZO）铁电层厚度为5 nm，二氧化硅（SiO₂）绝缘层厚度为1 nm。研究创新性地将铁电本征延迟参数ρ在1-10⁴Ω·cm范围内进行参数扫描，结合Landau-Khalatnikov模型描述极化动力学过程，首次揭示了开关过程中n型与p型NCFET阈值电压的非对称偏移机制。

关键技术方法包括：基于实测HZO铁电电容P-E曲线拟合Landau-Khalatnikov模型参数（α=-1.3×10¹¹cm/F，β=7×10²⁰cm³/(F·C)²）；采用混合模式仿真分析五级环形振荡器动态响应；通过量子约束修正局部密度近似（MLDA）模型增强纳米尺度载流子传输模拟精度。

瞬态特性分析

当输入信号频率达到1 GHz时，高延迟器件（ρ=10⁴Ω·cm）的亚阈值摆幅从55 mV/decade恶化至82 mV/decade，阈值电压正向偏移0.12 V。

极化响应曲线显示，当ρ≥10²Ω·cm时铁电偶极子无法完成完整切换，导致负电容效应失效。特别值得注意的是，开启切换（0 V→1 V）与关断切换（1 V→0 V）过程呈现显著非对称性：前者因表面势调制能力减弱导致V_th正偏，后者因绝缘层电荷释放延迟引发V_th从0.35 V剧降至0.1 V。

电路级瞬态响应

逆变器仿真表明，当ρ从1 Ω·cm增至10⁴Ω·cm时，噪声容限衰减至传统MOSFET逆变器水平。能带分析揭示其本质源于n型与p型NCFET的能垒非对称变化：下拉器件能垒升高0.13 eV，而上拉器件能垒降低0.25 eV。环形振荡器动态响应更出现反常现象——在ρ=10²Ω·cm时频率反而升至14.3 GHz，这是由于上拉器件负阈值电压偏移主导了延迟缩减，但随ρ继续增大，输出信号无法完全放电至0 V，导致频率回落至5.41 GHz。

研究结论强调，铁电本征延迟不仅引起器件级亚阈值特性退化，更通过非对称阈值偏移机制深刻影响电路级可靠性。该发现为高频NCFET电路设计提供了关键指导：需将铁电材料电阻率控制在10²Ω·cm以下以确保极化响应速度，同时通过优化栅极堆栈结构平衡n/p器件切换对称性。这项研究如同为高速负电容集成电路装上了“偏振镜”，使研究者能清晰观测到铁电延迟效应在器件与电路层面的连锁反应，为下一代低功耗AI芯片开发奠定了理论基础。