【導讀】隨著芯片制造商尋找新的選擇來維持驅動電流，鐵電體正在接受認真的重新考慮。鐵電材料可以提供非易失性存儲器，填補 DRAM 和閃存之間的重要功能空白。事實上，用于存儲器的鐵電體和用于晶體管的 2D 溝道是最近 IEEE 電子設備會議的兩個亮點。
隨著芯片制造商尋找新的選擇來維持驅動電流，鐵電體正在接受認真的重新考慮。
鐵電材料可以提供非易失性存儲器，填補 DRAM 和閃存之間的重要功能空白。事實上，用于存儲器的鐵電體和用于晶體管的 2D 溝道是最近 IEEE 電子設備會議的兩個亮點。
鐵電體很有趣，因為它們有一個內置的電子偶極子。該偶極子會產生殘余極化，即 P+ 或 P-。施加一個強電場——矯頑電場Ec——改變極化方向，并且在電場移除后新狀態仍然存在（見圖 1）。鐵電存儲器依靠這種效應來存儲非易失性數據。
圖 1：作為電場函數的鐵電極化。
鐵電晶體管有點復雜。他們使用與傳統電介質 (DE) 串聯的鐵電層 (FE) 組裝柵極電容器。切換 FE 的極化會減少其電荷，導致柵極附近的 DE 處的電荷相應增加。相對于傳統的 MOSFET，這種所謂的“負電容”效應會導致電流相對于柵極電壓增加得更快，從而降低晶體管的亞閾值擺幅。
亞閾值擺幅 (SS) 是衡量晶體管從導通到關閉的陡度的指標，是電流增加 10 倍所需的電壓變化。隨著晶體管的縮小，在 I on和 I off之間保持足夠的比率變得更加困難。更急劇的開/關轉換是減少泄漏電流的一種途徑。不幸的是，傳統設備中的 SS 受到約 60mV/decade的玻爾茲曼極限的限制。
FeFET 已被提議作為該問題的潛在解決方案。文獻將這些器件描述為負電容 FET (NCFET) 和 FeFET，部分取決于作者對器件物理學的解釋。（本報告僅使用 FeFET。）相對于隧道 FET 等更激進的器件架構，鐵電晶體管與傳統 MOSFET 非常相似。2011 年鉿-鋯氧化物 (HZO) 電容器的鐵電行為演示表明，鐵電材料可以與現有工藝兼容。?
到底什么是負電容？
負電容背后的器件物理原理尚不完全清楚。自首次提出負電容效應以來，研究人員一直在爭論其確切性質。它只是瞬態切換效應，還是潛在穩定的第三極化狀態的證據？
圖 2：自由能與極化。
負電容是潛在穩定狀態的論點基于 Landau 對相變附近行為的分析，如圖 2 所示。在穩定的 P+ 和 P- 狀態之間，這個論點成立，有一個“中性”可以通過與傳統電介質的相互作用來維持配置。控制晶體管中的負電容效應需要 FE 和 DE 層之間的精確匹配。
根據 imec 的鐵電項目主管 Jan Van Houdt 的說法，這種分析的問題在于 P+ 和 P- 狀態之間的轉變對應于鐵電晶胞中離子的物理運動。化學鍵斷裂并重新形成；兩者之間沒有穩定的狀態。此外，圖 2 源自 Landau-Devonshire 模型，用于平衡條件下的穩態行為。使用平衡模型來描述開關行為本質上是有問題的。
相反，關于開關動力學的討論需要考慮作用在材料上的力。在沒有外場的情況下，每個鐵電晶胞都是一個被其他偶極子包圍的電子偶極子。在單晶中，最低能態是所有偶極子都沿同一方向排列的狀態。在沉積在 HfO 2或硅上的 HZO 中，更可能的結果是多晶材料，具有晶界和稍微隨機的晶體取向。一個晶粒的 P+ 方向可能與其相鄰晶粒的 P+ 方向不對齊。根據沉積條件，甚至可能存在根本不是鐵電的微晶。材料的凈極化是 P+ 和 P- 域的總和。
當施加電場時，偶極子開始與電場對齊。單個偶極子的切換速度非常快——這是已知最快的電子切換機制之一——但并非多晶、隨機取向薄膜中的所有域都會立即切換。將凈極化從 P+ 轉移到 P- 或相反需要有限的時間段。
優化亞閾值擺動
當開關發生時，極化的變化會導致材料的凈電容發生變化。保持恒定電壓需要從外部源流入電荷：電流流動。北京大學的 Huimin Wang 及其同事解釋說，當極化變化率大于電容變化率時，就會出現負電容行為。? 他們觀察了獨立 FE 電容器的效果，表明 DE 層的存在并不是該效果的基礎。但是，當鐵電體與傳統電介質串聯時，兩者之間的相互作用將決定設備的整體靜電。
圖 3：鐵電電容器中動態電容的時間演變。
即使沒有持續的負電容狀態，也可能有負的微分電容。根據柵極電壓的掃描速率，凈電容可能會急劇增加，然后隨著柵極電壓“趕上”并達到Vth而下降。如圖 3 所示，部分曲線的電容變化為負。然而，實際設備面臨亞閾值擺動和滯后之間的沖突。正如北京大學小組所解釋的那樣，更陡峭的 SS 需要隨時間更快速地改變極化 (?P/?t)。滯后定義為正向和反向切換時鐵電體兩端的電壓差 (V FE)，是材料的一個基本方面。不幸的是，增加 ?P/?t 會增加 V FE，反之亦然。也就是說，不可能同時優化滯后和亞閾值擺動。
因此，鐵電行為是否與商業設備相關仍然是一個懸而未決的問題。
對于記憶，答案似乎是明確的，是的。快速、持久的切換使 FeRAM 處于閃存和 DRAM 之間的重要位置。然而，對于晶體管來說，答案就不太清楚了。雖然使用負電容來增強 MOSFET 性能可能是不可能的，但一些二維半導體材料也具有鐵電特性。
（來源：內容由半導體行業觀察（ID：icbank）編譯自semiengineering）
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