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负电容场效应晶体管（NCFET）作为超低功耗集成电路非常具有潜力的候选器件结构之一,引起了学术界和工业界的广泛关注。NCFET与传统金属氧化物半导体场效应晶体管的区别在于栅极结构中插入的具有负电容行为的铁电薄膜,通过栅极电压放大效应突破亚阈值摆幅（SS）玻尔兹曼限制。本论文基于实验研究探索NCFET典型电学特性和基本物理机制,具体内容分为四个部分:NCFET典型特性研究、影响NCFET电容匹配因素研究、NCFET频率特性探索和NCFET物理机制揭示。一、NCFET典型特性研究利用前栅工艺制备锗（Ge）与锗锡（GeSn）沟道NCFET,其中铁电材料为锆（Zr）掺杂的氧化铪（HfO2）,即铪锆氧（HfZrOx）。通过后退火工艺,实现多晶HfZrOx铁电薄膜。退火温度为450 oC时,Ge与GeSn NCFET相比于对照器件展现出一些列优异的电学特性,包括亚60 mV/decade的陡峭开关特性、低于40 mV的回滞窗口以及22%的沟道电流增幅。在NCFET电容曲线中观测到了负电容模型预测的栅电容尖峰效应,在器件输出特性曲线中观测到了负微分电阻（NDR）效应。栅电容尖峰和NDR效应为NCFET典型特性,该工作成为后续大量理论和实验研究NCFET器件和电路应用的基础。二、影响NCFET电容匹配因素研究研究表明,NCFET中铁电负电容(|CFE,N|)和底层MOS电容(CMOS)的匹配是决定器件电学性能的关键。增大的|CFE,N|和CMOS的比值(|CFE,N|/CMOS)可以显著减小NCFET的回滞特性。CFE,N随退火温度的上升呈增大趋势,当退火温度由350上升至450 oC时,NCFET回滞行为逐渐消失。其次,调整|CFE,N|/CMOS最有效的手段之一是改变CFE和CMOS的面积比例。因此,当CFE面积上升时,NCFET同样可以基于电容匹配原则消除其回滞行为。此外,铁电薄膜厚度(tFE)对|CFE,N|/CMOS和NCFET电学性能具有类似的调控作用。三、NCFET频率特性探索本论文基于实验对比研究了有中间电极的MFMIS结构和无中间电极的MFIS结构的Ge NCFET的频率特性。对于MFMIS结构NCFET而言,当工作频率上升时,其回滞特性和亚阈值特性均明显衰退,表现出明显的频率依赖性;对于MFIS结构NCFET而言,其回滞特性和亚阈值特性均表现出极低的频率依赖性。当测试频率上升至1MHz时,MFIS结构NCFET同时实现了亚30 mV/decade的SS和小于110mV的回滞窗口。上述MFMIS和MFIS结构NCFET不同的频率依赖性应归因于其不同的电容匹配机制。四、NCFET物理机制揭示针对负电容效应的物理机制,本论文对比研究了NCFET栅极电压增益的实验值和引入去极化电场的理论计算值。实验发现,NCFET栅极电压增益的实验值和引入去极化电场的理论计算值高度吻合,从而明确了负电容效应的物理机制是去极化电场。其次,针对无回滞NCFET工作的物理机制,本论文还对比研究了有回滞和无回滞NCFET的极化行为。实验发现,无回滞NCFET的极化行为模式为渐变型连续响应,且其负电容效应发生时的极化电荷强度仅为0.2μC/cm2,证明无回滞NCFET工作的物理机制是铁电极子的不完全翻转。