随着集成电路工艺的发展,晶体管的特征尺寸大幅度减小,摩尔定律似乎越来越难以维持,因此研究人员目前正在急切地寻找尺寸更小和能耗更低的存储技术来取代传统的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。而利用铁电材料的铁电特性来降低MOSFET的亚阈值摆幅（SS）似乎可以用来解决上述问题,虽然一部分的研究工作已经开展,但如何在铁电MOSFET中实现超低的SS调控仍不明确,同时铁电材料的极化翻转动力学如何影响SS的调控机制仍不清晰。与此同时,随着半导体工业的发展,具有非易失性的存储器正在各个方面提升人们的生活水平。然而,目前已商用化的电荷型铁电随机存储器存储虽然可以实现非易失性存储,但是它的读取方式是基于电荷的破坏性读取,读取之后需要重新写入,限制了其继续发展。于是,人们将研究重点集中在具有非易失且非破坏性读取的铁电场效应晶体管（FeFET）,并在这一领域开展了大量的研究,然而仍然存在许多亟待解决的问题。例如,如何在FeFET中实现纳秒级别的超快电阻转换行为,同时FeFET的应用场景仍不明确。针对这些问题,本论文主要研究了BiFeO3（BFO）铁电极化翻转动力学对MOSFET的SS的调控以及BFO基FeFET中的超快非易失场效应调控,为设计具有超低SS的铁电MOSFET器件和具有超快速度的灰阶调控、高开口率的AMOLED像素驱动电路提供了研究基础。本论文分为五个章节,每章节主要内容概况如下:第一章中,综述了铁电调控MOSFET的SS的相关机制以及FeFET在不同研究领域中的最新研究进展。据此提出了相关领域需要深入研究与解决的几个问题。第二章中,主要介绍了制备Au/BFO/La0.6Sr0.4MnO3（LSMO）铁电异质结所需靶材、薄膜制备技术及对应的结构表征等,得到了具有较好的外延特性的BFO薄膜,并通过铁电分析仪的几种不同测量方法对Au/BFO/LSMO异质结的铁电性能进行了表征,表明BFO薄膜具有稳定且较高的铁电极化。最后,简单介绍了利用4200A-SCS半导体参数分析仪测量电流进行铁电表征的方法。第三章中,基于高质量的BFO薄膜,制备了 BFO基铁电MOSFET器件,通过调控BFO铁电翻转动力学特性,实现了对铁电MOSFET器件的SS由正到负的调控。我们首先在单独的BFO铁电电容器及BFO铁电电容器串联恒定电阻的电路中研究了铁电极化翻转动力学特性,分别观测到了电压下降同时电荷增加的现象,表明铁电材料的极化翻转特性。之后,我们将BFO铁电电容器与型号为IRFP 450的商用功率MOSFET的栅极连接,系统地研究了BFO铁电电容器的铁电极化翻转过程对MOSFET的SS的调控。在正常电压扫描过程中,通过测试MOSFET的转移特性曲线,我们在漏极电流变化超过三个量级范围内实现了创纪录低的SS～0.76 mV/dec。此外,通过设置扫描电压在转变点处保持恒定不变或者往回扫描一个较小的电压,我们还在漏极电流变化超过七个量级的范围内得到了SS=0甚至是负的SS。通过实验验证,这些结果与铁电极化翻转动力学密切相关,铁电极化翻转动力学会影响电荷的重新分布,导致BFO铁电电容器和MOSFET上的电压降出现突然的变化,最终实现了SS的降低。我们的工作有助于理解铁电MOSFET中陡峭且可调控的SS,并为通过设计铁电极化翻转动力学进一步提高铁电MOSFET器件的性能提供了可能策略。第四章中,制备了基于ZnO/BFO的FeFET,实现了大电阻开关比的调控,并将其应用于简化AMOLED像素驱动电路。在（001）取向的SrTiO3（STO）单晶衬底上依次生长了 LSMO、BFO、ZnO多层薄膜,并利用紫外光刻、离子束刻蚀等技术将多层薄膜制备成FeFET结构。通过在底电极LSMO上施加栅极电压,实现了对ZnO半导体沟道层电阻的非易失调控,最大电阻开关比约为4×103。将BFO分别极化到向上或者向下状态之后,利用霍尔测量方式测量了不同极化方向下对应的ZnO沟道的载流子浓度,不同极化状态下载流子浓度相差约三个量级,证实了得到的大电阻开关比来源于BFO铁电极化对ZnO沟道载流子的场效应调控,并在ZnO沟道处于低阻态时得到了一个约17%的负的磁阻效应。通过将该非易失的FeFET应用于仅含一个FeFET的简化AMOLED像素驱动电路中,实现了对商用OLED明和暗的调控。通过计算,驱动电路的像素开口率从28%提高到了 37%。此外,通过施加5 ns的栅极脉冲电压,FeFET的电阻转换行为仍可实现,开关比接近一个量级,这有利于AMOLED像素驱动电路的快速操作。在三端非易失的FeFET中还进行了脉冲时序依赖可塑性的测试,用于模拟人工神经元的记忆效应,表现了其在人工形态计算方面的应用前景。第五章中,本章总结了在铁电MOSFET器件的亚阈值摆幅调控和FeFET非易失电阻转换方面取得的相关结果,并指出仍然存在的一些需要改进的地方以及可能的解决方法。