为什么FeFET变得如此有趣？

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随着芯片制造商寻找新的选择来维持驱动电流，铁电体正在接受认真的重新考虑。

铁电材料可以提供非易失性存储器，填补 DRAM 和闪存之间的重要功能空白。事实上，用于存储器的铁电体和用于晶体管的 2D 沟道是最近 IEEE 电子设备会议的两个亮点。

铁电体很有趣，因为它们有一个内置的电子偶极子。该偶极子会产生残余极化，即 P+ 或 P-。施加一个强电场——矫顽电场Ec——改变极化方向，并且在电场移除后新状态仍然存在（见图 1）。铁电存储器依靠这种效应来存储非易失性数据。

图 1：作为电场函数的铁电极化。

铁电晶体管有点复杂。他们使用与传统电介质 (DE) 串联的铁电层 (FE) 组装栅极电容器。切换 FE 的极化会减少其电荷，导致栅极附近的 DE 处的电荷相应增加。相对于传统的 MOSFET，这种所谓的“负电容”效应会导致电流相对于栅极电压增加得更快，从而降低晶体管的亚阈值摆幅。

亚阈值摆幅 (SS) 是衡量晶体管从导通到关闭的陡度的指标，是电流增加 10 倍所需的电压变化。随着晶体管的缩小，在 I on和 I off之间保持足够的比率变得更加困难。更急剧的开/关转换是减少泄漏电流的一种途径。不幸的是，传统设备中的 SS 受到约 60mV/decade的玻尔兹曼极限的限制。

FeFET 已被提议作为该问题的潜在解决方案。文献将这些器件描述为负电容 FET (NCFET) 和 FeFET，部分取决于作者对器件物理学的解释。（本报告仅使用 FeFET。）相对于隧道 FET 等更激进的器件架构，铁电晶体管与传统 MOSFET 非常相似。2011 年铪-锆氧化物 (HZO) 电容器的铁电行为演示表明，铁电材料可以与现有工艺兼容。⁠

到底什么是负电容？

负电容背后的器件物理原理尚不完全清楚。自首次提出负电容效应以来，研究人员一直在争论其确切性质。它只是瞬态切换效应，还是潜在稳定的第三极化状态的证据？

图 2：自由能与极化。

负电容是潜在稳定状态的论点基于 Landau 对相变附近行为的分析，如图 2 所示。在稳定的 P+ 和 P- 状态之间，这个论点成立，有一个“中性”可以通过与传统电介质的相互作用来维持配置。控制晶体管中的负电容效应需要 FE 和 DE 层之间的精确匹配。

根据 imec 的铁电项目主管 Jan Van Houdt 的说法，这种分析的问题在于 P+ 和 P- 状态之间的转变对应于铁电晶胞中离子的物理运动。化学键断裂并重新形成；两者之间没有稳定的状态。此外，图 2 源自 Landau-Devonshire 模型，用于平衡条件下的稳态行为。使用平衡模型来描述开关行为本质上是有问题的。

相反，关于开关动力学的讨论需要考虑作用在材料上的力。在没有外场的情况下，每个铁电晶胞都是一个被其他偶极子包围的电子偶极子。在单晶中，最低能态是所有偶极子都沿同一方向排列的状态。在沉积在 HfO 2或硅上的 HZO 中，更可能的结果是多晶材料，具有晶界和稍微随机的晶体取向。一个晶粒的 P+ 方向可能与其相邻晶粒的 P+ 方向不对齐。根据沉积条件，甚至可能存在根本不是铁电的微晶。材料的净极化是 P+ 和 P- 域的总和。

当施加电场时，偶极子开始与电场对齐。单个偶极子的切换速度非常快——这是已知最快的电子切换机制之一——但并非多晶、随机取向薄膜中的所有域都会立即切换。将净极化从 P+ 转移到 P- 或相反需要有限的时间段。

优化亚阈值摆动

当开关发生时，极化的变化会导致材料的净电容发生变化。保持恒定电压需要从外部源流入电荷：电流流动。北京大学的 Huimin Wang 及其同事解释说，当极化变化率大于电容变化率时，就会出现负电容行为。⁠ 他们观察了独立 FE 电容器的效果，表明 DE 层的存在并不是该效果的基础。但是，当铁电体与传统电介质串联时，两者之间的相互作用将决定设备的整体静电。

图 3：铁电电容器中动态电容的时间演变。

即使没有持续的负电容状态，也可能有负的微分电容。根据栅极电压的扫描速率，净电容可能会急剧增加，然后随着栅极电压“赶上”并达到Vth而下降。如图 3 所示，部分曲线的电容变化为负。然而，实际设备面临亚阈值摆动和滞后之间的冲突。正如北京大学小组所解释的那样，更陡峭的 SS 需要随时间更快速地改变极化 (∂P/∂t)。滞后定义为正向和反向切换时铁电体两端的电压差 (V FE)，是材料的一个基本方面。不幸的是，增加 ∂P/∂t 会增加 V FE，反之亦然。也就是说，不可能同时优化滞后和亚阈值摆动。

因此，铁电行为是否与商业设备相关仍然是一个悬而未决的问题。

对于记忆，答案似乎是明确的，是的。快速、持久的切换使 FeRAM 处于闪存和 DRAM 之间的重要位置。然而，对于晶体管来说，答案就不太清楚了。虽然使用负电容来增强 MOSFET 性能可能是不可能的，但一些二维半导体材料也具有铁电特性。