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铁电场效应晶体管器件研究领域获得突破性进展 郝跃院士团队发表IEEE Electron Device Letters封面文章

日期:2019-01-04 19:12 点击量:

       (通讯员:程珺)日前,西安电子科技大学微电子学院郝跃院士团队在负电容铁电场效应晶体管(FeFET)研究领域取得突破性进展,创新性提出并实现了新型纳米晶铁电材料(Nanocrystal-Embedded-Insulator,NEI)FeFET。该研究工作发表在IEEE Electron Device Letters 2019年第一期,并选为封面文章突出报道。
       FeFET是利用铁电材料作为器件栅介质,实现非易失存储器或者负电容逻辑器件。目前的FeFET是基于掺杂氧化铪(HfO2)铁电材料,即在HfO2中引入锆(Zr)、硅(Si)或铝(Al)等元素,从而使介质薄膜从顺电变成铁电材料。这类铁电材料存在的主要问题是:(1)材料铁电参数不容易调整;(2)材料一般为多晶相,FeFET中铁电栅介质不能太薄,否则会出现漏电流或者铁电性消失。如非易失存储器铁电层厚度一般为6~10 纳米,而负电容逻辑器件一般为4~6 纳米,大大限制了FeFET在FinFET器件中的应用。因此,开发超薄的铁电材料成为推动FeFET在亚10 纳米 CMOS中更广泛应用的关键。
       NEI铁电薄膜是一种全新的铁电材料结构,使FeFET集成于亚10纳米CMOS成为可能。作者在研究中采用先进的原子层沉积(ALD)工艺,在非晶顺电介质(如Al2O3)中嵌入少量氧化锆(ZrO2)纳米晶颗粒(体积比小于1%),实现了新型的NEI铁电薄膜。NEI材料的优势在于:(1)铁电参数可以通过改变ZrO2含量来调整;(2)绝缘栅介质层中加入了铁电纳米晶颗粒,使得铁电层与介质层融为一体,进一步减小了栅介质层的厚度,介质为不定形(amorphous)相,可以实现2纳米厚度。该研究工作不仅揭示了NEI铁电特性,并且还相继报道了作者实现的2.1和3.6 纳米NEI FeFET存储器件和负电容器件,其中负电容晶体管亚阈值摆幅突破了60mV/decade物理极限。该材料铁电参数的灵活可调性将有助于进一步揭示负电容晶体管的真正工作机理。
       IEEE Electron Device Letters是国际微电子器件领域的顶级期刊,也是IEEE Electron Devices Society第一旗舰期刊,在国际微电子领域享有权威的学术地位和广泛的影响力。郝跃院士团队2018年在该期刊发表学术论文十多篇,标志着西安电子科技大学在先进微电子器件研究领域已经走在世界前列。

       文章信息:Yue Peng, Wenwu Xiao, Genquan Han,* Jibao Wu, Huan Liu, Yan Liu, Nuo Xu, Tsu-Jae King Liu, and Yue Hao, “Nanocrystal-Embedded-Insulator Ferroelectric Negative Capacitance FETs with Sub-kT/q Swing,” IEEE Electron Device Letters, vol.40, no. 1, pp. xx-xx, Jan. 2019. 
       作者简介:彭悦,2015级博士研究生,师从郝跃院士,2016年跟随团队的韩根全教授开展FeFET材料和器件的研究工作,取得了突破性的研究成果。该研究工作得到国家优秀青年科学基金项目和国家自然科学基金重点项目的资助。