物联网时代对于低功耗器件的需求越来越大。作为一种超陡亚阈值摆幅器件，负电容场效应晶体管（NCFET）因其具有能够突破玻尔兹曼极限的亚阈值摆幅（室温下亚阈值摆幅<60mV/dec）而在超低功耗器件领域具有重要的应用前景。另一方面，得益于HfO2基铁电材料的发现（如Hf_0.5Zr_0.5O₂，Si:HfO₂，Al:HfO₂等），基于HfO₂基铁电材料的NCFET具有很好的可微缩性和CMOS工艺兼容特性，2017年NCFET已经基于格罗方德（Global Foundries）14纳米工艺进行了验证。

NCFET的工作原理是基于铁电材料的负电容现象，在晶体管的栅极插入一层铁电层，利用铁电材料的负电容效应反击“玻尔兹曼暴政”，突破极限，将器件的亚阈值摆幅降低到kT/q（室温60mV/dec）以下，并且可以实现更高效的开启电压和驱动电流。铁电材料的负电容效应是一个非常神奇的现象，一般概念里面电容都是正值，而负电容是利用一个合适的普通电容与铁电电容串联，使铁电材料处于双势阱能量结构的势垒区，而这一区域的二次导数为负值，对应的正是负电容区域。

图1、NCFET结构示意图；NCFET等效电容电路示意图；NCFET直流ID-VGS曲线

近日，华中科技大学光学与电子信息学院信息存储材料与器件研究所（ISMD）在基于HfO2基铁电材料的NCFET温度特性的研究中取得重要进展，以"Effects of Temperature on thePerformance of Hf0.5Zr0.5O2-based Negative Capacitance FETs"为题发表于IEEE Electron Device Letters。对照研究了温度对NCFET和baseline MOSFET 亚阈值摆幅和开态电流的影响。测试和模拟了NCFET及baseline MOSFET在-50~85℃工作温度范围内的直流特性。随着温度的升高，NCFET亚阈值摆幅的上升速度远远快于kT/q，并且在~350K时超过kT/q，在~360K时超过基线MOSFETs。同样的，它的开态电流比基准器件下降得更快。最后，研究利用Landau-Khalatnikov(L-K)理论建立了理论模型来解释NCFET的温度特性。

图2、(a)SS随NCFET和基准器件温度的变化趋势。(b)VDS=-1V和VGS=-1V时NCFET和基准器件的开态电流随温度的变化趋势。(c)最小SS点时C和电压增益随温度变化的趋势。

这一工作是NCFET朝着实际应用迈进的一个较为重要的研究工作。该工作发表于IEEE Electron Device Letters, 博士生王成旭、吴继宝和硕士生余豪为共同第一作者，由本团队王兴晟教授、缪向水教授和西安电子科技大学韩根全教授合作指导完成。

文章信息：

C. Wang, J. Wu, H. Yu, G. Han, X. Miao and X. Wang,"Effects of Temperature on the Performance of Hf0.5Zr0.5O2-based Negative Capacitance FETs," in IEEE Electron Device Letters, doi:10.1109/LED.2020.3022384.

网页链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/9187665