| 成果简介： |
基于饸基材料的铁电场效应晶体管(FeFET)可以同时实现超低功耗陡峭亚阈值摆幅逻辑器件与非易失存储芯片，加速突破铅基FeFET核心技术是推动高端集成电路发展的重要途经。铝基FeFET器件长期面临两大科学瓶颈：1)器件性能调控路径和核心机制不明确，2)铁电极化反转耐久性(直接决定器件可靠性)提升方法和物理本质不清晰，进而影响了给基铁电场效应晶体管性能提升与芯片发展。
该项目团队针对以上两大瓶颈，在国家自然科学基金重大研究计划、杰出青年基金、优秀青年基金、重点项目和国家重点研发计划等项目支持下，原创性揭示了负电容场效应晶体管(NCFET)基本器件特性与核心机制，为超低功耗陡峭亚阈值摆幅铁电器件发展奠定了重要基础；揭示了氧空位(V₀)产生及其分布规律，成功突破了给基铁电材料和器件极化耐久性难题。该项目团队在微电子主流会议和期刊发表文章422篇，出版两部中文专著，两部英文专著章节，授权发明专利85件。谷歌学术引用7015次，国际会议邀请报告及综述31次。该项目牵头人韩根全为西安电子科大学二级教授，国家杰青，重要参与人刘艳为长江学者特聘教授。
该项目科学发现一(集成电路科学与工程)：首次实验发现了NCFET中的电容尖峰和负微分电阻效应，并阐明了负电容效应的核心机制为偶极子不完全反转，从而引领了NCFET的进步与发展。
NCFET采用铁电材料做栅介质，如果铁电栅介质电容(CFE)<0，则可突破玻尔兹曼限制，实现小于60mV/decade超陡峭亚阈值摆幅，而根据L-K铁电理论，CFE确实可以为负值。但是，负电容效应直接实验证据，以及引起负电容效应的铁电极化机制不明确。这严重制约NCFET性能调控和电路级设计应用。该项目从“工艺-材料-器件-机理”跨层次全面创新和优化工艺，突破了核心器件技术。2016年，该项目首次实验证明NCFET电容尖峰现象和负微分电阻效应(NDR)，并系统性揭示了负电容效应对晶体管电流、跨导和亚阈值摆幅的提升作用。栅极电容尖峰效应直接证实负电容效应导致的栅极电容增益能力，NDR是负电容效应产生过程中极化电荷迁移所导致的，通过建立NDR调制理论，该项目构建了NCFET的短沟道效应免疫力提升方法，根本性的突破了NCFET逻辑电路设计的瓶颈性障碍。上述结果在后续研究进程中，被视为器件模型完善的关键实验依据，突破了电路级设计应用瓶颈。
该项目科学发现二(集成电路科学与工程)：揭示了HfZrO<sub>2</sub>铁电中V₀面内扩散和界面注入是决定极化疲劳和恢复的核心物理机制，建立了Vo生成和扩散的极化微观模型，成功揭示了极化唤醒和疲劳现象的机理。发明了一种高耐久性HfO<sub>2</sub>-ZrO<sub>2</sub>超晶格铁电新材料，可有效调控V₀扩散行为，使极化反转耐久性提升至5×10<sup>12</sup>次的领先水平，为铪基铁电材料与器件的应用奠定了重要的科学基础。
给基铁电材料极化反转疲劳和恢复过程中V₀缺陷扮演了重要角色，但是其作用机制和动力学过程不清晰。该项目基于理论建模和实验测试深入开展了系统研究，阐明材料中V₀缺陷相关物理过程，揭示V₀的面内扩散与界面注入是影响铪基铁电极化反转耐久性的核心机制，并建立介观相场模型，澄清了V₀对铪基铁电起源的关键作用，有力推进铪基铁电材料与器件性能调控理论和技术发展。进一步通过物性表征和第一性原理理论计算，证明随着疲劳-恢复循环，V₀的稳定性增强，可实现铪基铁电材料的无限耐久性。该项目对疲劳-恢复特性物理机理的研究，解决了长久以来关于铪基铁电材料中唤醒、疲劳效应等非理想特性来源不明确的难题，为推进铁电存储器实用化提供重要理论和实验证据。
该项目发明了一种高耐久性HfO<sub>2</sub>-ZrO<sub>2</sub>超晶格铁电材料结构，大幅提升铪基铁电材料与器件耐久性和极化疲劳恢复能力。HfO<sub>2</sub>-ZrO<sub>2</sub>超晶格铁电极化反转单次疲劳极限为5×10<sup>12</sup>次以上，世界上首次达到片上内存的耐久特性要求。建立密度泛函模型，计算显示超晶格对耐久特性的提升，与其提高V₀面内迁移势垒，有效限制V₀的移动直接相关。该项目所发展的超晶格材料在有效限制V₀扩散移动以及在界面层的俘获过程的同时，保留了HfZrOₓ的铁电特性，而且耐久性提高了10000倍，为铪基铁电存储器件的产业应用铺平了道路。
该项目相关结果得到了国际同行的高度评价。Dimitri Antoniadis(美国工程院院士、MIT教授)和Sayeef Salahuddin(IEEE Fellow，NCFET提出者)发表铁电逻辑器件紧凑模型，将该项目工作作为关键实验依据。Thomas Mikolajick教授(HfO<sub>2</sub>基铁电材料发明者、IEEE Fellow)发表论文，将该项目结果作为提升HfO<sub>2</sub>基铁电耐久特性的重要实验和理论证据。UC Berkeley、MIT、德国NamLab、普渡大学、乔治亚理工、东京大学、台湾大学、英特尔、TSMC等学术界和工业界一流研究机构，广泛引用该项目工作。国内外科研论文将该项目研究结果作为典型数据评述和对比超过200次。 |
