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基于铁电AlScN和二维MoS₂的负电容场效应晶体管研究
1. 研究作者及发表信息
本研究由Seunguk Song、Kwan-Ho Kim、Srikrishna Chakravarthi等来自University of Pennsylvania、Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST)等机构的研究团队合作完成，并于2023年10月30日发表在Applied Physics Letters（Appl. Phys. Lett. 123, 183501）。
2. 学术背景
本研究属于半导体器件与纳米电子学领域，旨在解决传统场效应晶体管（FET）在纳米尺度下的功耗问题。随着晶体管尺寸缩小，降低供电电压（VDD）的同时需避免漏电流（IOFF）增加，而传统FET受限于热电子发射极限（thermionic limit）（约60 mV/dec），难以实现低功耗高效开关。
负电容场效应晶体管（Negative Capacitance FET, NCFET）通过引入铁电材料（ferroelectric material）的负电容效应（Negative Capacitance, NC），可突破热电子极限，实现更陡峭的亚阈值摆幅（Subthreshold Swing, SS）。然而，现有铁电材料（如HfZrO₂）在稳定性和性能调控上存在局限。本研究采用新型铁电材料Al₀.₆₈Sc₀.₃₂N（AlScN），其具有高剩余极化（Pr ≈ 70–110 μC/cm²）和高矫顽场（Ec ≈ 2–9 MV/cm），为NCFET提供了更优的平台。
研究目标包括：
1. 验证AlScN在NCFET中的应用潜力；
2. 通过优化介电层（interlayer）减少滞后效应（hysteresis）；
3. 实现亚热电子极限的SS（<60 mV/dec）。
3. 研究流程与方法
（1）器件制备
- 研究对象：
- 机械剥离（mechanically exfoliated）的少层MoS₂；
- 化学气相沉积（CVD）生长的单层MoS₂。
- 铁电层：45 nm厚的AlScN，沉积于Pt(111)基底。
- 介电层：对比研究了AlOₓ、HfOₓ和六方氮化硼（h-BN），厚度为0.5–2 nm。
- 电极：采用In/Au作为源漏（S/D）接触，以减少界面退化。
（2）实验设计
- 电容匹配条件：通过Landau-Ginzburg-Devonshire（LGD）理论计算铁电电容（Cfe），优化介电层厚度以满足|Cfe| > Cₛ（半导体电容）。
- 电学测试：
- 转移特性（Transfer characteristics）：测量Ids-Vg曲线，分析滞后窗口（Memory Window, MW）和SS；
- 输出特性（Output characteristics）：观察负微分电阻（Negative Differential Resistance, NDR）效应。
（3）数据分析
- SS计算：通过公式 ( SS = 2.3 \frac{k_B T}{q} \left(1 + \frac{Cs}{C{ins}}\right) ) 验证NC效应；
- 电容提取：根据SS与介电层厚度的关系，反推Cfe值（≈2.18–3.26 μF/cm²），与LGD理论预测一致。
4. 主要结果
（1）机械剥离MoS₂器件的性能
- HfOₓ/AlScN NCFET：
- 0.5 nm HfOₓ介电层下，SS低至30.6 mV/dec，远低于热电子极限；
- 滞后窗口（MW）<0.5 V，表明电容匹配成功。
- AlOₓ/AlScN NCFET：
- 2 nm AlOₓ介电层下，SS ≈90 mV/dec，滞后进一步降低（≈20 mV）。
（2）CVD生长MoS₂器件的可扩展性
- 阵列器件中，SSmin平均值为69.76±12.1 mV/dec，最优值达36 mV/dec；
- 短沟道器件（300 nm）表现出更高的开关比（Ion/Ioff >10⁵）和更低的SS。
（3）关键现象验证
- 负漏致势垒降低（Negative DIBL）：Ids在Vg
- NDR效应：高Vg下输出特性出现负微分电阻，支持自热效应（self-heating）与NC的关联。
5. 研究结论与价值
- 科学价值：首次将AlScN铁电材料应用于NCFET，验证其在高Pr和高Ec下的NC效应；
- 技术价值：通过介电层优化（如HfOₓ）实现亚热电子极限的SS，为低功耗逻辑器件提供新方案；
- 应用前景：AlScN的低温沉积（<400°C）兼容后端工艺（BEOL），适合大规模集成。
6. 研究亮点
- 材料创新：AlScN的高Pr和Ec显著提升了NCFET的稳定性；
- 器件优化：介电层厚度调控实现了滞后与SS的平衡；
- 可扩展性：CVD MoS₂阵列验证了NC效应在大面积器件中的适用性。
7. 其他发现
- 沟道长度（L）对SS的影响：短沟道（300 nm）器件SS更低，但长沟道受晶界缺陷影响性能下降；
- 未来需优化AlScN厚度（如<20 nm）以进一步提高|Cfe|。
该研究为铁电NCFET的实际应用提供了重要参考，尤其在低功耗集成电路领域具有潜在突破性意义。