隨著芯片制造商尋找維持驅(qū)動電流的新方法，鐵電體(Ferroelectric)重新獲得關(guān)注。

鐵電材料可以提供非易失性存儲器，在DRAM和flash之間填補(bǔ)重要的功能空缺。事實上，用于存儲器的鐵電體和用于晶體管的2D通道是最近IEEE電子設(shè)備會議的兩個亮點。

鐵電體很有趣，因為它們有一個內(nèi)置的電子偶極子。偶極子產(chǎn)生了一個殘極，不是P+就是P-。應(yīng)用強(qiáng)電場Ec改變極化方向，在電場被移除后，狀態(tài)仍然存在(見圖1)。鐵電存儲器依靠這種效應(yīng)實現(xiàn)非易失性數(shù)據(jù)存儲。

鐵電晶體管要復(fù)雜一些。他們從鐵電層(FE)與傳統(tǒng)電介質(zhì)(DE)串聯(lián)組裝柵極電容器。切換FE的極化降低其電荷，導(dǎo)致柵極附近DE的電荷相應(yīng)增加。

相對于傳統(tǒng)的MOSFET，這種所謂的“負(fù)電容”效應(yīng)導(dǎo)致電流相對于柵極電壓更快地增加，減少晶體管的亞閾值擺動。

亞閾值擺動(SS)是衡量晶體管開關(guān)從開到關(guān)的陡度指標(biāo)。隨著晶體管的尺寸縮小，維持Ion和Ioff之間的適當(dāng)比例變得更加困難。更尖銳的開/關(guān)過渡可以降低漏電流，但是傳統(tǒng)器件中的SS受到約60mV/decade的玻爾茲曼極限約束。

FeFET被認(rèn)為是這個問題的潛在解決方案。相對于更激進(jìn)的器件結(jié)構(gòu)，如tunneling FETs，鐵電晶體管非常類似于傳統(tǒng)的MOSFET。從2011年氧化鉿鋯(HZO)電容器中鐵電行為的演示可以看出，鐵電材料與現(xiàn)有工藝是兼容的。

什么是負(fù)電容?

負(fù)電容背后的器件物理特性目前還沒完全搞清楚。自從負(fù)電容效應(yīng)首次被提出以來，研究人員一直在爭論它的確切性質(zhì)。這僅僅是一個短暫的開關(guān)效應(yīng)，還是潛在穩(wěn)定的第三偏振態(tài)的證據(jù)?

負(fù)電容是一種潛在穩(wěn)定狀態(tài)的論點基于朗道對相變附近行為的分析，如圖2所示。在穩(wěn)定的P+和P-狀態(tài)之間，這個論點認(rèn)為，有一個“中性”配置，可以通過與傳統(tǒng)電介質(zhì)的相互作用來維持。控制晶體管中的負(fù)電容效應(yīng)需要FE和DE層之間的精確匹配。

根據(jù)imec鐵電體項目主管Jan Van Houdt的說法，這種分析的問題在于P+和P-態(tài)之間的轉(zhuǎn)變對應(yīng)于鐵電單元中離子的物理運(yùn)動。化學(xué)鍵斷裂并重新形成，兩者之間沒有穩(wěn)定的中間狀態(tài)。

此外，圖2是從平衡條件下的穩(wěn)態(tài)行為的Landau-Devonshire模型推導(dǎo)出來的。用平衡模型來描述開關(guān)行為本身就是有問題的。

相反，關(guān)于開關(guān)動力學(xué)的討論需要考慮作用在材料上的力。在沒有外場的情況下，每個鐵電單元都是一個電子偶極子，周圍環(huán)繞著其他偶極子。在單晶中，最低能態(tài)是所有偶極子都朝同一方向排列。

在HZO沉積在HfO2或硅上，更可能的結(jié)果是多晶材料，具有晶界和一些隨機(jī)的晶體取向。一個顆粒的P+方向可能與相鄰顆粒的P+方向不對齊。根據(jù)沉積條件的不同，甚至可能存在根本不具有鐵電性的晶體。材料的凈極化是P+域和P-域的和。

當(dāng)施加電場時，偶極子開始與電場對齊。單個偶極子的開關(guān)是非?？斓摹阎淖羁斓碾娮娱_關(guān)機(jī)制之一——但在一個多晶、隨機(jī)取向的薄膜中，并不能實現(xiàn)同時開關(guān)。將凈極化從P+移到P-或反之，需要一個有限的時間周期。

優(yōu)化亞閾值擺動

開關(guān)時，極化的變化導(dǎo)致材料凈電容的變化，保持恒定電壓需要從外部源流入電荷。北京大學(xué)的王慧敏及其同事解釋說，當(dāng)極化變化率大于電容變化率時，就會發(fā)生負(fù)電容行為。

他們在獨立的FE電容器中觀察到這種效應(yīng)，表明DE層的存在并不是這種效應(yīng)的基礎(chǔ)。然而，當(dāng)鐵電體與傳統(tǒng)電介質(zhì)串聯(lián)時，兩者之間的相互作用將決定器件的整體靜電性能。

即使沒有持久的負(fù)電容狀態(tài)，也有可能出現(xiàn)負(fù)微分電容。根據(jù)柵極電壓的掃描速率，凈電容可能急劇增加，然后隨著柵極電壓“趕上”并達(dá)到Vth而下降。如圖3所示，部分曲線的電容變化為負(fù)。

然而，實際的器件面臨著亞閾值擺動和磁滯的沖突。正如北京大學(xué)的研究小組解釋的那樣，更陡的SS需要更快速的極化變化。磁滯為鐵電(VFE)正反向開關(guān)的電壓差，加快極化變化會增加VFE，反之亦然。也就是說，不可能同時優(yōu)化磁滯和亞閾值擺動。

因此，鐵電行為是否與商業(yè)器件相關(guān)仍然是一個懸而未決的問題。

總結(jié)

對于內(nèi)存來說，快速、持久的切換使FeRAM成為閃存和DRAM之間的重要利基。不過，對于晶體管來說，答案就不那么明確了。后續(xù)我們將討論鐵電體在先進(jìn)通道器件中可能發(fā)揮的作用。

審核編輯：劉清