Science子刊 | 0.6V超低電壓鐵電晶體管！

鐵電場效應(yīng)晶體管作為一種非易失性存儲器技術(shù)，其工作原理依賴于鐵電材料的極化翻轉(zhuǎn)來存儲信息。當(dāng)施加足夠的柵極電壓時(shí)，鐵電層的極化方向發(fā)生反轉(zhuǎn)，從而調(diào)控半導(dǎo)體溝道的載流子濃度，實(shí)現(xiàn)存儲狀態(tài)的切換。理論上，要使鐵電層極化翻轉(zhuǎn)，施加在鐵電層上的電壓必須超過其固有的矯頑電壓。

傳統(tǒng)FeFET的實(shí)際工作電壓往往遠(yuǎn)高于鐵電材料的矯頑電壓。這是因?yàn)樵趯?shí)際器件結(jié)構(gòu)中，外加?xùn)艍翰粌H降落在鐵電層上，還會(huì)分配到介電層和半導(dǎo)體溝道上。這種電壓分配效應(yīng)導(dǎo)致即使柵壓超過矯頑電壓，實(shí)際作用于鐵電層的電壓可能仍然不足以完全翻轉(zhuǎn)極化，導(dǎo)致鐵電晶體管器件工作電壓遠(yuǎn)高于邏輯器件電壓。

特別是在未來亞1納米節(jié)點(diǎn)技術(shù)中，如何進(jìn)一步降低FeFET的工作電壓，使其能夠與邏輯芯片的供電電壓相匹配，成為鐵電電子學(xué)領(lǐng)域亟待解決的重大科學(xué)問題。解決這一問題的關(guān)鍵，在于如何有效提高電壓利用效率，使得較低的外加?xùn)艍壕湍茉阼F電層中產(chǎn)生足以翻轉(zhuǎn)極化的電場強(qiáng)度。

成果簡介

北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)在《Science Advances》發(fā)表的最新研究，首次實(shí)現(xiàn)了柵長 1 納米的二硫化鉬納米柵FeFETs，創(chuàng)下了0.6V的超低工作電壓紀(jì)錄，低于先進(jìn)邏輯晶體管的0.7V工作電壓，成功解決了存儲器與邏輯核心的電壓不匹配難題。這項(xiàng)研究的核心亮點(diǎn)體現(xiàn)在五大方面：

1、極致柵長與超低電壓突破：采用金屬單壁碳納米管（m-SWCNT）作為柵電極，將MoS2 FeFET的柵長縮至 1 納米，同時(shí)借助電場匯聚效應(yīng)，使工作電壓降至0.6V，突破了鐵電材料本征矯頑電壓的限制，無需電荷泵電路即可與邏輯核心直接集成。

2、雙機(jī)制實(shí)現(xiàn)電場高效增強(qiáng)：通過鐵電-金屬氧化物半導(dǎo)體電容耦合增強(qiáng)和納米尖端誘導(dǎo)電場增強(qiáng)雙重機(jī)制，大幅提升鐵電層內(nèi)電場強(qiáng)度。1 納米柵長下，鐵電層最大電場達(dá)2.7×106 V/cm，遠(yuǎn)超CIPS的臨界矯頑場（5×105 V/cm），實(shí)現(xiàn)低電壓下的極化翻轉(zhuǎn)。

3、超高電壓效率與優(yōu)異存儲性能：器件電壓效率高達(dá) 125%，遠(yuǎn)超傳統(tǒng) FeFETs（均低于 53%），成為目前已報(bào)道 FeFETs 中的最高值；同時(shí)展現(xiàn)出卓越的存儲特性，電流開關(guān)比高達(dá)2×106，編程速度快至 1.6 納秒，遠(yuǎn)優(yōu)于同類 2D CIPS 基 FeFETs。

4、抗短溝道效應(yīng)與優(yōu)異穩(wěn)定性：納米柵FeFETs完全免疫短溝道效應(yīng)，打破了傳統(tǒng)晶體管柵長縮放的限制，驗(yàn)證了“越小越好”的鐵電晶體管縮放原則；器件在0.6V工作電壓下，104秒后電流開關(guān)比仍高于1×103，104次編程循環(huán)后無明顯退化，具備良好的長期穩(wěn)定性。

5、工藝兼容與普適性拓展：納米柵電場增強(qiáng)機(jī)制具有普適性，可拓展至 HZO、鈣鈦礦等主流鐵電材料；同時(shí)該結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝兼容，可通過原子層沉積等先進(jìn)制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)固態(tài)納米柵，支持晶圓級制造和3D NAND結(jié)構(gòu)集成，具備實(shí)際產(chǎn)業(yè)化潛力。

總結(jié)與展望

本研究成功制備了柵長1納米、工作電壓0.6V的MoS2納米柵鐵電晶體管，將FeFETs的工作電壓降至先進(jìn)邏輯晶體管之下，解決了存儲器與邏輯核心的電壓不匹配核心難題。研究的核心創(chuàng)新在于將納米尖端電場增強(qiáng)機(jī)制引入 FeFETs，通過金屬單壁碳納米管納米柵實(shí)現(xiàn)了電場的高效匯聚，結(jié)合鐵電-金屬氧化物半導(dǎo)體電容耦合增強(qiáng)的雙重機(jī)制，不僅突破了鐵電材料本征矯頑電壓的限制，還實(shí)現(xiàn)了125%的超高電壓效率，同時(shí)使器件具備超高開關(guān)比、超快編程速度和優(yōu)異的穩(wěn)定性，且完全免疫短溝道效應(yīng)。

這項(xiàng)研究為鐵電電子學(xué)在亞1納米節(jié)點(diǎn)的發(fā)展奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)，確立了 FeFETs “越小越好” 的獨(dú)特縮放原則，納米柵FeFETs可通過電場的空間聚焦實(shí)現(xiàn)低電壓、高能效的非易失性存儲，為集成電路的進(jìn)一步高密度集成提供了全新方案。

論文信息

Meng et al., Nanogate ferroelectric transistors with ultralow operation voltage of 0.6 V. Sci. Adv. 12, eaea5020 (2026).

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea5020

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