铁电负电容场效应晶体管

铁电负电容场效应晶体管 针对后摩尔时代集成电路产业日益严重的功耗问题，简要介绍芯片功耗、工作电压和场效应晶体管亚阈值特性的关系，并通过解析铁电负电容场效应晶体管陡峭亚阈值特性工作机理，阐明铁电负电容场效应晶体管技术对于突破后摩尔时代功耗瓶颈的关键作用。为明确铁电负电容场效应晶体管领域的发展现状，本书讲述该领域各个方面的代表性研究成果，一方面阐述已经取得的成果，另一方面希望通过剖析亟待解决的关键技术问题，指明未来发展方向。 本书主要内容包括氧化铪基铁电材料，铁电负电容场效应晶体管的概念及其发展历程、基本电学特性、电容匹配原则、负微分电阻（NDR）效应以及频率响应特性等。此外，本书还详细阐述了铁电负电容效应存在性研究及其本质探索的相关内容。 本书是一本理论与实践并重的专业技术图书，可供从事新型低功耗器件研究及铁电负电容场效应晶体管研究的科研工作者和相关专业的高校研究生阅读参考。

周久人 西安电子科技大学教授，博士生导师，国家 级青年人才、小米青年学 者，杭州市B类高层次人才，中国电子学会会员、IEEE会员。在IEEE IEDM 等国际会议和 IEEE EDL、IEEE TED 等国际期刊发表论文八十余篇；申请发明专利近四十项，已授权十五项；博士论文入选陕西省优 秀博士学位论文和中国电子学会优 秀博士学位论文。目前主持科技创新2030—“新一代人工智能”重大项目等多个国家 级项目。主要研究领域为先进铁电存储器及芯片。 韩根全 西安电子科技大学教授，西安电子科技大学杭州研究院后摩尔器件与芯片实验室主任，国家 级人才。长期从事半导体材料、器件和芯片研制方面的科研和教学工作，取得国际领 先的研究成果，在 IEEE EDL等 SCI 收录期刊发表论文 200余篇。承担国家自然科学基金重大项目、国家重点研发计划等多个国家 级和省部级项目。 郝跃 中国科学院院士，西安电子科技大学教授、博士生导师，微电子技术领域专 家，教育 部高等学校电子信息类专业教学指导委员会主任委员，“核高基”国家科技重大专项实施专 家组组长和总装备部微电子技术专 家组组长。获国家技术发明奖二等奖一项，国家科学技术进步奖二等奖、三等奖各一项。

第1 章　绪　论 1 1.1　后摩尔时代的低功耗应用需求 1 1.2　后摩尔时代的新型低功耗场效应晶体管 7 1.2.1　隧穿场效应晶体管 7 1.2.2　自旋场效应晶体管 9 1.2.3　狄拉克源场效应晶体管 10 1.2.4　铁电负电容场效应晶体管 11 1.3　本章小结 12 参考文献 12 第2 章　氧化铪基铁电材料 15 2.1　铁电材料概述 15 2.1.1　铁电材料定义 15 2.1.2　铁电材料的发展与需求 19 2.2　氧化铪基铁电材料的研究进展 21 2.2.1　晶体结构 21 2.2.2　掺杂工程 22 2.2.3　工艺探索 25 2.3　新型氧化铪基铁电材料的应用 34 2.3.1　高介电响应“多态相边界”绝缘材料 35 2.3.2　非易失性可重构铁电掺杂技术 39 2.4　本章小结 43 参考文献 43 第3 章　铁电负电容场效应晶体管的概念及其发展历程 47 3.1　负电容效应 47 3.1.1　负电容效应定义 47 3.1.2　负电容效应原理 49 3.1.3　负电容效应的稳定性 50 3.2　铁电负电容场效应晶体管陡峭亚阈值特性 53 3.2.1　亚阈值摆幅 53 3.2.2　陡峭亚阈值特性 54 3.3　铁电负电容场效应晶体管发展历程 56 3.3.1　基本电学特性 56 3.3.2　电容匹配原则 66 3.3.3　NDR 效应 69 3.3.4　频率响应特性 71 3.3.5　负电容效应存在性及本质 73 3.4　本章小结 76 参考文献 76 第4 章　铁电负电容场效应晶体管的基本电学特性 81 4.1　铁电负电容场效应晶体管制备工艺 82 4.2　铁电负电容场效应晶体管性能表征 84 4.2.1　铁电材料的铁电性表征 84 4.2.2　锗沟道铁电负电容场效应晶体管电学性能表征 85 4.2.3　锗锡沟道铁电负电容场效应晶体管电学性能表征 90 4.3　本章小结 91 参考文献 92 等5 章　铁电负电容场效应晶体管的电容匹配原则 97 5.1　电容匹配原则影响因素分析 97 5.2　电容匹配原则调控手段论证 99 5.2.1　TAnnealing 对NCFET 电学性能的影响 100 5.2.2　AFE/AMOS 对NCFET 电学性能的影响 108 5.2.3　tFE 对NCFET 电学性能的影响 113 5.2.4　VG, range 对NCFET 电学性能的影响 116 5.3　电容匹配原则微观机理解析 120 5.4　本章小结 127 参考文献 127 第6 章　铁电负电容场效应晶体管的NDR 效应 131 6.1　NDR 效应产生机理 132 6.2　NDR 效应调控机制 135 6.2.1　理论研究 135 6.2.2　实验研究 139 6.3　NDR 效应相关应用 144 6.3.1　短沟道效应抑制 145 6.3.2　高增益跨导放大器 149 6.4　本章小结 153 参考文献 154 第7 章　铁电负电容场效应晶体管的频率响应特性 157 7.1　铁电材料本征延时 157 7.1.1　铁电电容- 电阻延时评估系统 158 7.1.2　亚纳秒铁电电容快速测试系统 164 7.2　铁电负电容器件频率响应特性 170 7.2.1　材料选取原则 170 7.2.2　结构设计原则 174 7.2.3　电路应用频率响应特性 184 7.3　本章小结 187 参考文献 188 第8 章　铁电负电容效应机理研究 193 8.1　铁电负电容效应存在性研究 193 8.2　铁电负电容效应本质探索 207 8.3　本章小结 222 参考文献 222 第9 章　总结与展望 225 9.1　总结 226 9.1.1　铁电负电容器件优化 226 9.1.2　新型沟道材料负电容器件 231 9.1.3　新型负电容器件应用 235 9.2　展望 239 参考文献 240