19、新兴负电容场效应晶体管（NCFET）在低功耗应用中的作用

新兴负电容场效应晶体管（NCFET）在低功耗应用中的作用

1. NCFET的稳定性

NCFET的稳定性是一个主要问题。负电容意味着在较低电压下有高电荷（dQ/dV < 0）。铁电体中的高去极化场在外部电场无法补偿表面极化电荷时会产生负电容。NCFET的稳定性取决于诸如迟滞、电容匹配、铁电体厚度等因素。过去十年，研究人员致力于这些因素以实现NCFET的稳定性。稳定的NCFET不仅能将亚阈值摆幅（SS）降至60 mV/dec以下，还能减少短沟道效应（SCEs）。部分研究表明，电容匹配良好的NCFET会产生负漏致势垒降低（DIBL）和负漏电阻（NDR），是低功耗应用的理想选择。

2. 铁电材料

• 传统铁电材料 ：过去，钙钛矿和聚合物基铁电材料（如BiFeO₃、PZT、PVD和SBT）被广泛用于设计NCFET。但这些材料需要高达200nm的厚层来提供负电容效应，在电路/系统级设计中存在稳定性问题，易疲劳，且集成到CMOS工艺中需要高质量外延。
• 氧化铪基铁电材料 ：2011年，在掺杂的HfO₂材料中首次发现铁电性，即使是薄层也能提供负电容效应。HfO₂通过掺杂硅、铝、锆、钇、锶等不同元素来实现铁电性。这些材料与CMOS工艺高度兼容，在电路/系统级设计中成为NCFET的未来材料。基于氧化铪的NCFET在可扩展性、与CMOS工艺的兼容性、处理温度容忍度、3D能力、存储器、电路和系统级设计等方面得到广泛研究。

材料类型	优点	缺点