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近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院微纳电子学系刘景全团队李秀妍副教授与日本东京大学Akira Toriumi教授合作在国际知名学术期刊《Nature Communications》上发表题为《Stepwise internal potential jumps caused by multiple-domain polarization flips in metal/ferroelectric/metal/paraelectric/metal stack》的最新研究成果。负电容晶体管被提出可应用于后摩尔时代CMOS技术，但其物理机制存在很大争议。针对这个关键科学问题，该论文实验验证了实际调控晶体管的类负电容效应，并建立了不同于最初负电容概念的新型负电容机制。李秀妍副教授为论文的第一作者和通讯作者，上海交通大学为第一完成单位。
负电容（NC）晶体管概念是由S. Salahuddin等在2008年首次提出，其核心内容是铁电材料存在一个负电容态，可通过将铁电层与合适的介电层串联稳定该负电容态。因此如果将传统MOSFET 中的绝缘层替换为铁电层，有可能稳定其负电容态使得晶体管内部沟道表面电势被放大，从而使得晶体管亚阈值摆幅突破玻尔兹曼限制变得更为陡峭、实现更低功耗逻辑计算。由于其半导体材料普适性、CMOS工艺兼容性和高开电流等优点，负电容晶体管被认为是未来CMOS器件最具应用前景的研究方向之一。然而，迄今报道的负电容晶体管存在亚阈值摆幅滞回难以调控、稳定性受栅极偏压和频率变化影响等问题，这意味着类似器件的实际工作机制与最初概念有所不同。同时，学术界对负电容效应是否存在、是否可被稳定等关键科学问题存在很大的争议。
此次发表的论文着眼于与晶体管陡峭亚阈值摆幅直接相关的内部电势放大效应，搭建了基于超高阻抗内部电压测试的精确表征系统，实验验证了内部电势放大效应、即类负电容效应的存在；但发现该效应仅仅发生在铁电极化反转的过程中，预示了其与最初提出的稳态负电容效应有所不同。同时实验验证了内部电势放大效应和陡峭亚阈值摆幅的直接相关性，揭示了迄今报道的负电容晶体管的实际工作机制。
此外，论文从静电学角度对观察到的内部电势放大效应进行解释，建立了该效应实现的物理和数学模型，并探讨了其与最初负电容概念的本质差异。
该论文不仅为澄清负电容相关的学术争议提供关键佐证，而且为负电容晶体管的调控提供了新的思路和理论指导。
上述研究工作得到了日本科学技术振兴机构-战略创造研究推进事业（JST-CREST）项目(JPMJCR14F2)以及国家自然科学基金项目（(61904103, 91964110）和上海市“科技创新行动计划”项目（19ZR1475300, 19JC1416700）的资助。
论文连接https://www.nature.com/articles/s41467-020-15753-4
供稿：微纳电子学系
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