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 據(jù)悉，在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：61534004，61604112，61622405，61874081）資助下，西安電子科技大學(xué)韓根全、郝躍等在鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管研究領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，發(fā)明了新型納米晶鐵電材料（Nanocrystal-Embedded-Insulator，NEI）并制備了鐵電負(fù)電容晶體管器件。研究成果以“Nanocrystal-Embedded-Insulator Ferroelectric Negative Capacitance FETs with Sub-kT/q Swing”（陡峭亞閾值擺幅納米晶鐵電負(fù)電容場(chǎng)效應(yīng)晶體管）為題，于2019年1月作為封面文章發(fā)表在微電子器件領(lǐng)域旗艦期刊IEEE Electron Device Letters（《IEEE電子器件快報(bào)》）上。

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利用鐵電材料作為柵介質(zhì)制備的鐵電晶體管是有望突破傳統(tǒng)MOSFET器件玻爾茲曼限制的新型信息器件之一，在低功耗電路和非易失存儲(chǔ)等方面有廣泛應(yīng)用前景。2011年德國研究人員在摻雜氧化鉿（HfO2）材料中觀測(cè)到鐵電性，和傳統(tǒng)鐵電材料（如PZT，SBT等）相比，HfO2基鐵電和CMOS工藝完全兼容，因此HfO2基鐵電晶體管很快引起了微電子研究人員的極大關(guān)注。然而，從目前研究看，HfO2基鐵電材料尚存在以下問題：1）摻雜HfO2的本征缺陷導(dǎo)致鐵電材料存在不可避免的喚醒效應(yīng)、印刻效應(yīng)和易極化疲勞；2）實(shí)驗(yàn)研究顯示HfO2基鐵電晶體管用作非易失存儲(chǔ)器時(shí)柵介質(zhì)厚度一般為8~10 納米，而用作負(fù)電容晶體管時(shí)柵介質(zhì)厚度為4納米左右，這限制了HfO2基鐵電晶體管在集成電路先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用。

針對(duì)上述問題，研究團(tuán)隊(duì)采用先進(jìn)的原子層沉積（ALD）工藝，在非晶順電介質(zhì)Al2O3中嵌入少量氧化鋯（ZrO2）納米晶顆粒，實(shí)現(xiàn)了新型的納米晶鐵電薄膜。該材料的鐵電參數(shù)不僅可以通過改變ZrO2含量來大范圍調(diào)整，而且通過使用更致密的Al2O3和ZrO2代替HfO2，有效克服了摻雜HfO2本征缺陷引起的喚醒效應(yīng)、印刻效應(yīng)和極化疲勞，從而提高了器件的耐久和保持特性。此外，由于NEI介質(zhì)整體為不定形（amorphous）相，可以被制備得非常薄。在對(duì)NEI進(jìn)行詳細(xì)鐵電特性表征的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)還制備了3.6 納米NEI 鐵電負(fù)電容器件。器件測(cè)試結(jié)果表明：和HfO2基鐵電器件相比，基于該新型納米晶鐵電材料的鐵電晶體管可在柵介質(zhì)厚度更薄的情況下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的負(fù)電容效應(yīng)，且晶體管亞閾值擺幅突破了60mV/decade物理極限。論文工作為實(shí)現(xiàn)3~5納米負(fù)電容FinFET奠定了材料基礎(chǔ)，也為我國“后摩爾時(shí)代”新器件研發(fā)提供了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)方案。