北京大学彭练矛院士团队Science Advances：0.6V超低工作电压铁电晶体管

纳米人

2026-02-28

研究背景

铁电晶体管（FeFET）作为后摩尔时代极具潜力的新型半导体存储器，受到了学术界与工业界的广泛关注。其独特的极化双稳态存储机制，结合其三端晶体管结构，使其成为构建非易失性存算一体架构的理想器件，有望实现存储与计算在物理上的深度融合，为突破传统冯·诺依曼架构下的“存储墙”瓶颈、支撑未来人工智能计算的底层架构革新提供了关键路径。

关键问题

目前，在铁电晶体管工作电压和能耗方面主要面临以下瓶颈：

1、工作电压与能耗物理极限难以突破

传统铁电晶体管的工作电压必须高于铁电材料的标称矫顽电压才能实现极化翻转。受限于材料本征特性和器件结构，导致工作电压和能耗难以进一步压缩。

2、栅极极化调控效率低下

受到铁电晶体管栅极电压分压原理限制，在常规栅极结构中，外加电压在铁电层中产生的电场强度有限，对铁电极化的调控效率较低。为实现极化翻转，不得不施加更高的工作电压，这进一步导致了器件电压和功耗的增加。

新思路

有鉴于此，北京大学彭练矛院士-邱晨光研究员团队另辟蹊径，提出了“纳米栅铁电场效应晶体管”新架构，并揭示了其背后的“纳米栅极电场增强机理”。通过将铁电晶体管栅极尺寸微缩至1纳米的极限尺度，利用纳米栅的电场汇聚效应在铁电层内构建出高度局域化的强电场区域，显著提升了铁电极化调控效率，最终将铁电晶体管工作电压降低至0.6V，能耗降低至0.45 fJ/μm，为后摩尔时代超低功耗芯片的研发提供了核心器件支撑。

技术方案：

1、理论仿真验证：纳米栅结构的电场增强效应
    通过理论仿真，对比了纳米栅结构与常规栅结构在相同偏压下的电学表现。结果表明，当在纳米栅电极施加-0.6V偏压时，铁电层中可形成峰值达2.7×10⁶ V/cm的局域强电场，远超CIPS铁电材料的矫顽场（5×10⁵ V/cm），有效实现铁电极化翻转。而常规栅器件仅能产生10⁵ V/cm的弱电场，无法实现存储状态切换。仿真结果从物理机制上验证了纳米栅结构在超低电压下驱动存储操作的优越性。

2、器件制备与机理分析：双机制协同突破电压极限
    以金属性碳纳米管为纳米栅，成功制备出垂直堆叠的MoS₂铁电场效应晶体管。测试显示，该器件在0.6V工作电压下实现了清晰的存储窗口（0.75V）和近四个数量级的开关比。深入分析表明，其超低电压特性源于两大机制的协同作用：一是纳米栅结构显著增强了电容耦合效率与铁电层分压；二是纳米栅尖端的电场聚焦增强效应，进一步强化了局部电场强度。热力学吉布斯自由能分析也证实，0.6V栅压足以提供极化翻转所需的能量，为超低电压工作提供了理论支撑。

3、性能突破：低于矫顽电压的稳定工作
    研究发现，所制备的纳米栅FeFET实现了低于CIPS标称矫顽电压的超低工作电压，其电压效率高达125%。这一突破打破了传统器件工作电压必须高于材料矫顽电压的限制，通过电容耦合与电场聚焦的协同作用，将电压效率推升至理论极限以上。

4、超快响应速度与超低能耗
    测试结果表明，纳米栅铁电晶体管的存储速度最快可达1.6纳秒，兼顾了超低功耗与高速特性。其0.45 fJ/μm的存储能耗，比国际已报道的最低能耗值低一个数量级。该器件以0.6V的工作电压，将非易失性存储器的操作电压降至先进CMOS逻辑电压（0.7V）以下。

技术优势

1、突破了铁电晶体管的工作电压极限

首次通过纳米栅电场增强机制，将电压效率提升至125%，实现了在低于铁电材料标称矫顽电压下的稳定工作。

2、提出了普适性的器件优化新思路

纳米栅极电场增强效应具有普适性，可扩展至主流铁电材料体系，为标准CMOS工艺下研发高性能、低功耗铁电存储芯片提供了全新路径。

技术细节

理论仿真验证纳米栅结构的优越性

研究通过TCAD仿真构建了纳米栅与常规栅的对比模型。结果显示，在-0.6V偏压下，1 nm纳米栅在铁电层（CIPS）中诱导出高达2.7×10⁶ V/cm的局域电场，而常规栅铁电晶体管仅能产生10⁵ V/cm。前者远超CIPS的矫顽场（5×10⁵ V/cm），能有效触发极化翻转，后者则无法实现。电学特性仿真进一步证实，纳米栅FeFET在±0.6V扫描下呈现清晰的逆时针存储窗口，而常规栅器件则无明显变化，充分证明了纳米栅结构在超低电压下实现高效极化调控的核心优势。

图 纳米栅与常规栅MoS₂铁电晶体管的理论模拟

器件制备与双机制协同机理解析

研制的纳米栅FeFET器件采用金属性碳纳米管为栅极，结合CIPS（铁电层）、石墨烯（浮栅）、h-BN（介电层）及MoS₂（沟道）构成垂直异质结构。实验测得在0.6V工作电压下，器件具备0.75V的存储窗口和近10⁴的开关比。机理分析揭示，其性能源于两点：一是纳米栅尺寸效应带来的高电容耦合效率，增强了铁电层分压；二是纳米栅尖端效应产生的电场增强效应，共同确保了在超低电压下实现极化翻转。吉布斯自由能分析也从热力学角度证实，0.6V电压足以驱动极化状态改变。

图 纳米栅MoS₂铁电晶体管的器件结构、电学表征以及机理分析

突破矫顽电压限制与稳定性验证

系统性研究表明，纳米栅FeFET的工作电压显著低于CIPS材料的本征矫顽电压，实现了125%的电压效率，创下同类器件纪录。这一突破是通过强铁电-电容耦合（提升电压效率至近100%）与纳米栅电场聚焦（推动效率突破100%）协同实现的。同时，器件在10⁴秒数据保持和10⁴循环耐久性测试中表现稳定，为其实际应用奠定了基础。

图 具有超低工作电压、超过标称矫顽电压的纳米栅MoS₂FeFET

超快响应与能耗优势
    经测试，纳米栅FeFET器件最高实现了1.6 ns的纳秒级存储速度。0.6V的工作电压将非易失性存储操作电压降至0.7V的CMOS逻辑电压以下。其0.45 fJ/μm的超低存储能耗，相比国际报道的最低值降低了一个数量级。

图 纳米栅MoS₂铁电晶体管的工作速度与性能对比

展望

这项研究首次实现了铁电晶体管在低于铁电材料本征矫顽电压下的稳定运行，成功将器件工作电压降低至与先进CMOS逻辑电压（0.7V以下）相兼容的水平，从根本上解决了逻辑单元与存储单元之间长期存在的电压不匹配难题，大幅降低了非易失存储的功耗。纳米栅极电场增强效应为铁电晶体管的优化提供了新的视角，有望促进低功耗铁电存储芯片的发展，为未来存算一体芯片和高算力AI芯片提供核心器件支持。

参考文献：

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