基于金属氧化物的负电容场效应晶体管实现亚30 mV/dec亚阈值摆幅突破

本研究针对传统场效应晶体管(FET)受限于热电子发射理论的亚阈值摆幅(SS)极限(~60 mV/dec)问题，开发了采用Hf0.5Zr0.5O2(HZO)/Al2O3叠层栅介质的IGZO基负电容晶体管(NC-FET)。通过精确的电容匹配技术，成功实现了27.59 mV/dec的超低SS值和仅10 mV的迟滞效应，为低功耗电子器件提供了创新解决方案。

　　

随着第五次工业革命浪潮的推进，人工智能技术对数据处理效率和设备功耗提出了更高要求。传统场效应晶体管(FET)受限于热电子发射理论，其亚阈值摆幅(Subthreshold Swing, SS)在室温下无法突破60 mV/dec的物理极限，严重制约了低功耗器件的发展。为了突破这一瓶颈，负电容场效应晶体管(Negative Capacitance FET, NC-FET)应运而生，它通过铁电材料的负电容效应来放大栅极电压，从而实现更陡峭的开关特性。然而，现有的NC-FET技术面临着一个关键挑战：如何在获得低SS的同时保持最小的迟滞效应？这个问题一直困扰着研究人员，因为铁电材料的非线性特性往往导致显著的迟滞现象，影响器件的可靠性和稳定性。

在这项发表于《Materials Today Electronics》的研究中，韩国东国大学的研究团队开创性地开发了基于氧化铟镓锌(Indium-Gallium-Zinc-Oxide, IGZO)的负电容场效应晶体管，采用原子层沉积技术制备了Hf_0.5Zr_0.5O₂(HZO)和Al₂O₃组成的叠层栅介质结构。这项研究的重要意义在于成功解决了陡峭SS与迟滞效应之间的权衡难题，为下一代低功耗电子器件的发展提供了新的技术路径。

研究人员采用了一系列先进的技术方法开展本研究。他们使用射频磁控溅射技术在热生长SiO₂衬底上沉积TiN栅电极，通过等离子体增强原子层沉积(PEALD)技术制备了10 nm厚的HZO铁电层和不同厚度(1-7 nm)的Al₂O₃介质层。器件采用底栅顶接触结构，通道材料为20 nm厚的IGZO薄膜，源漏电极通过热蒸发沉积100 nm厚的铝形成。材料表征方面，研究团队采用了交叉截面透射电子显微镜(TEM)和能量色散X射线光谱(EDS)进行微观结构分析，通过原子力显微镜(AFM)评估表面形貌，利用掠入射X射线衍射(GIXRD)分析晶体结构。电学特性表征包括电容-电压(C-V)、极化-电压(P-V)和电流密度-电压(J-V)测量，所有电学测试均在室温暗室条件下使用Keithley 4200-SCS系统完成。

2. Results and discussion

结构表征与材料分析

通过交叉截面TEM和EDS mapping分析证实了器件具有清晰的多层结构，包括TiN、HZO/Al₂O₃、IGZO和Al层。原子力显微镜显示HZO和HZO/Al₂O₃薄膜的均方根粗糙度分别为0.097 nm和0.209 nm，表明具有光滑均匀的表面形貌，有利于减少界面散射和陷阱。GIXRD分析显示HZO薄膜包含单斜(m-)、正交(o-)和四方(t-)相混合的多晶结构，其中正交相o(111)晶面占主导地位(51.25%)，这是实现铁电性的关键因素。

铁电/介质堆叠的电学特性

研究人员系统研究了不同Al₂O₃厚度(0-7 nm)对电容器性能的影响。P-V测量显示纯HZO电容器在3 V下具有24.3 μC/cm²的剩余极化(2P_r)，随着Al₂O₃厚度增加，铁电行为逐渐减弱。C-V曲线中，HZO电容器表现出典型的蝶形曲线，在矫顽电压(±1 V)附近出现峰值，证实了铁电行为。而随着Al₂O₃厚度增加，蝶形特征逐渐消失，表明铁电切换受到抑制。J-E特性显示，HZO在3 MV/cm下的漏电流密度为2.24 × 10^-4 A/cm²，随着Al₂O₃厚度增加，漏电流显著降低。

器件性能优化

转移特性测试表明，Al₂O₃厚度对器件性能有显著影响。当Al₂O₃厚度为5 nm时，器件表现出最佳性能：正向扫描SS为27.59 mV/dec，反向扫描为30.91 mV/dec，均低于热离子极限；迟滞仅为10 mV；开关电流比(I_on/I_off)达到1.02 × 10⁴。相比之下，1 nm和3 nm厚度的器件存在较大的迟滞(612 mV和559 mV)和较高的SS值，而7 nm厚度的器件虽然迟滞较小(52 mV)，但SS值升高至126.29 mV/dec。

负电容稳定机制

研究通过自由能景观分析揭示了FE/DE堆叠结构中负电容的稳定机制。当介质层过薄时，负电容区域因电荷补偿不足而保持不稳定状态；当Al₂O₃厚度适当时，通过电容匹配可以实现稳定的负电容行为。在0 < V < V_c的工作范围内，系统表现出稳定的负电容行为，铁电极化增加而内部电场因去极化效应而减小，总能量曲率保持正值确保稳定性。

器件稳定性与性能对比

重复栅压应力测量表明，优化后的NC-FET在20个连续应力循环中保持高度稳定性，仅出现微小偏移，同时维持陡峭的SS和最小迟滞。与先前报道的基于氧化物半导体和二维通道材料的NC-FET相比，本研究实现的10 mV迟滞和27.59 mV/dec的SS值表现出显著优势。

3. Conclusions

本研究通过系统研究HZO与不同厚度Al₂O₃中间层组成的铁电/介质栅堆叠，成功开发了性能优异的IGZO NC-FET。结构分析证实正交相o(111)是HZO薄膜中的主导相，表明良好的结晶性。P-V测量验证了HZO层的铁电特性，而Al₂O₃介质的引入实现了电容匹配，稳定了铁电响应。优化后的IGZO NC-FET（HZO 10 nm/Al₂O₃ 5 nm）表现出27.59 mV/dec和30.91 mV/dec的超低SS值，低于热离子极限，迟滞效应被抑制到约10 mV，并在20个连续电压应力循环中表现出优异的稳定性。高k Al₂O₃层与铁电层的结合有效稳定了固有的不稳定负电容效应，同时保持了陡峭SS的优势。这些发现清楚地证明了所提出的栅堆叠NC-FET架构在克服传统场效应晶体管局限性方面的有效性，并突出了其在下一代高能效电子和低功耗应用中的巨大潜力。

该研究的重要意义在于首次在氧化物半导体通道中同时实现了陡峭的亚阈值摆幅和可忽略的迟滞效应，突破了长期以来困扰NC-FET发展的技术瓶颈。通过精确的厚度控制和电容匹配技术，研究人员成功稳定了负电容效应，为未来低功耗集成电路的发展提供了新的技术路径。这项技术不仅适用于逻辑电路，还有望在存储器、物联网设备等广泛领域发挥重要作用，推动人工智能和边缘计算等技术的发展。