...教授在知名頂級學術期刊Nature Communications上發表最新研究...

2020-11-30 上海交通大學新聞網

近日，上海交通大學電子信息與電氣工程學院微納電子學系劉景全團隊李秀妍副教授與日本東京大學Akira Toriumi教授合作在國際知名學術期刊《Nature Communications》上發表題為《Stepwise internal potential jumps caused by multiple-domain polarization flips in metal/ferroelectric/metal/paraelectric/metal stack》的最新研究成果。負電容電晶體被提出可應用於後摩爾時代CMOS技術，但其物理機制存在很大爭議。針對這個關鍵科學問題，該論文實驗驗證了實際調控電晶體的類負電容效應，並建立了不同於最初負電容概念的新型負電容機制。李秀妍副教授為論文的第一作者和通訊作者，上海交通大學為第一完成單位。

負電容（NC）電晶體概念是由S. Salahuddin等在2008年首次提出，其核心內容是鐵電材料存在一個負電容態，可通過將鐵電層與合適的介電層串聯穩定該負電容態。因此如果將傳統MOSFET 中的絕緣層替換為鐵電層，有可能穩定其負電容態使得電晶體內部溝道表面電勢被放大，從而使得電晶體亞閾值擺幅突破玻爾茲曼限制變得更為陡峭、實現更低功耗邏輯計算。由於其半導體材料普適性、CMOS工藝兼容性和高開電流等優點，負電容電晶體被認為是未來CMOS器件最具應用前景的研究方向之一。然而，迄今報導的負電容電晶體存在亞閾值擺幅滯回難以調控、穩定性受柵極偏壓和頻率變化影響等問題，這意味著類似器件的實際工作機制與最初概念有所不同。同時，學術界對負電容效應是否存在、是否可被穩定等關鍵科學問題存在很大的爭議。

此次發表的論文著眼於與電晶體陡峭亞閾值擺幅直接相關的內部電勢放大效應，搭建了基於超高阻抗內部電壓測試的精確表徵系統，實驗驗證了內部電勢放大效應、即類負電容效應的存在；但發現該效應僅僅發生在鐵電極化反轉的過程中，預示了其與最初提出的穩態負電容效應有所不同。同時實驗驗證了內部電勢放大效應和陡峭亞閾值擺幅的直接相關性，揭示了迄今報導的負電容電晶體的實際工作機制。

此外，論文從靜電學角度對觀察到的內部電勢放大效應進行解釋，建立了該效應實現的物理和數學模型，並探討了其與最初負電容概念的本質差異。

該論文不僅為澄清負電容相關的學術爭議提供關鍵佐證，而且為負電容電晶體的調控提供了新的思路和理論指導。

上述研究工作得到了日本科學技術振興機構-戰略創造研究推進事業（JST-CREST）項目(JPMJCR14F2)以及國家自然科學基金項目（(61904103, 91964110）和上海市「科技創新行動計劃」項目（19ZR1475300, 19JC1416700）的資助。

論文連接

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15753-4

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