上海交通大学王林课题组Adv. Mater.：零回滞负电容场效应晶体管

纳米人

2025-04-14

随着晶体管尺寸的持续微缩，传统MOSFET器件面临的功耗问题已成为制约集成电路发展的重要瓶颈。在这一背景下，负电容晶体管（NC-FET）通过在栅极中引入铁电材料，理论上能够突破玻尔兹曼极限，实现室温下晶体管亚阈值摆幅（SS）<60mV/dec的超低功耗特性，被认为是未来CMOS器件最具发展潜力的研究方向之一。然而，现有NC-FET普遍存在回滞效应和铁电层微缩难题，制约了其实际应用。同时，以二硫化钼（MoS₂）为代表的新型沟道材料，凭借其优异的短沟道效应抑制能力、高迁移率、栅控能力以及良好的CMOS工艺兼容性，成为未来晶体管技术的重要沟道候选材料。

近日，上海交通大学王林团队在国际知名学术期刊《Advanced Materials》上发表题为“Van der Waals Ferroelectric CuCrP₂S₆-Enabled Hysteresis-Free Negative Capacitance Field‐Effect Transistors”的研究论文。团队采用扫描微波阻抗显微镜（sMIM）技术对范德华铁电材料CuCrP₂S₆（CCPS）进行表征分析，揭示了其在纳米尺度下的高介电常数（~35）以及随厚度变化的不敏感性。在此基础上，采用MoS₂作为沟道材料构建制备了NC-FET。通过深入研究器件结构中铁电层与沟道层的电容匹配关系，精确设计并优化各部分厚度，实现了与扫描速率/范围无关的零回滞NC-FET技术。最后，基于该技术构建的反相器表现出0.2 V的超低工作电压和与电压扫描范围无关的零回滞特性。该工作进一步拓展了铁电材料在纳米电子器件中的应用，其零回滞、低电压的特性有望应用于存内计算、物联网终端芯片等低功耗场景。

图1、CCPS的材料特性和铁电性表征。图片来源：Advanced Materials

图2、利用扫描微波阻抗显微镜技术表征CCPS的介电特性。图片来源：Advanced Materials

图3、基于CCPS和MoS₂的NCFET构筑。图片来源：Advanced Materials

图4、基于CCPS的零回滞MoS₂ NCFET电学特性表征。图片来源：Advanced Materials    

图5、MoS₂ NCFET中扫描速率的影响、电容匹配特性研究、以及低工作电压零回滞反相器的实现。图片来源：Advanced Materials

文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202419125

第一作者：陈瀚

通讯作者：王林

该工作得到了上海交通大学和国家自然科学基金委的支持。