【摘 要】
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负电容铁电场效应晶体管是在传统MOS管基础上把传统的栅极氧化物材料换成铁电材料,其亚阈值斜率可以低至60 m V/dec,它是未来降低晶体管工作电压VDD和进一步缩小器件物理尺寸的一种有效途径。基于此,本论文通过理论建模与数值分析相结合的方法,对负电容FET的电学性能进行了优化,重点探讨了铁电-金属电极之间的界面层电导率与退极化场对负电容FET电学性能的影响。基于Landau-Ginzbug-De
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目（编号:51872250）；
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负电容铁电场效应晶体管是在传统MOS管基础上把传统的栅极氧化物材料换成铁电材料,其亚阈值斜率可以低至60 m V/dec,它是未来降低晶体管工作电压VDD和进一步缩小器件物理尺寸的一种有效途径。基于此,本论文通过理论建模与数值分析相结合的方法,对负电容FET的电学性能进行了优化,重点探讨了铁电-金属电极之间的界面层电导率与退极化场对负电容FET电学性能的影响。基于Landau-Ginzbug-Devonshire-唯象理论、泊松方程以及电流连续性方程,改进了负电容氧化铪掺杂钇场效应晶体管物理模型,并分析了铁电-金属电极之间界面层的电导率对其电学性能的影响。结果表明:（1）界面层电导率σ=0.035×10-11Ω-1m-1时,铁电层厚度tf=8 nm时,硅表面势放大能力最强,栅电容得到放大,亚阈值摆幅得到降低（<60 m V/dec）,从而达到降低功耗的目的;（2）研究了在一定大小界面层电导率条件下,对负电容效应的影响,结果表明:存在一个最佳的铁电薄膜厚度,该厚度使得铁电薄膜的负电容效应最强,硅表面电势放大最明显。超过这个厚度晶体管的转移特性曲线随其降低或升高都会变差。这对于优化场效应晶体管具有很好的参考意义。针对MFIS负电容场效应晶体管,建立了一个退极化电场模型,分析了退极化场对栅电压、硅表面电势的影响。研究结果表明:退极化电场（Ed）受栅电压（Vg）的影响变化非常明显,在一个非常小的硅表面电势区域（-0.5 V<φs<0.4 V）,当退极化场的值很小时,硅表面电势随退极化场的增大迅速升高,导致晶体管的亚阈值摆幅小于60 m V/dec。该模型可以直接解释负电容FET器件中的超陡亚阈值特性产生的机理。
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