鐵電場效應電晶體

鐵電場效應電晶體（Fe FET）是一種場效應電晶體，其柵極電極與源漏導電區（溝道）之間夾有鐵電材料。鐵電材料中的永久電場極化使此類器件在無任何電偏壓的情況下仍能保持電晶體的工作狀態（導通或關斷）。

Fe FET器件常用於Fe FET 存儲器——一種單電晶體非揮發性記憶體。

描述

在1955年，伊恩·蒙羅·羅斯（英語：Ian Munro Ross）為一種鐵電場效應電晶體（FeFET）或金屬–鐵電–半導體場效應電晶體（MFSFET）申請了專利。其結構與現代的反型通道MOSFET相似，只是用鐵電材料替代了氧化物作為介電/絕緣層。^[1]1963年，莫爾（Moll）和塔魯伊（Tarui）提出在固態存儲器中使用一種鐵電材料（三甘氨酸硫酸鹽（英語：Triglycine sulfate））及薄膜電晶體。^[2] 1960年代進行了更多研究，但基於薄膜的器件的保持特性不盡如人意。^[3]早期的場效應電晶體器件使用鈦酸鉍（英語：Bismuth titanate）（Bi₄Ti₃O₁₂）、Pb_1−xLn_xTiO₃（PLT）及相關的鋯鈦酸鹽（PLZT）。^[3]1980年代末，開發出了使用鐵電薄膜作為電容並與尋址FET連接的鐵電隨機存取記憶體。^[3]

Fe FET基於的存儲器器件在讀取時所施加的電壓低於鐵電材料的矯頑電壓。^[4]

截至2006年，實現實用Fe FET存儲器器件面臨的挑戰包括：選擇介電常數高且絕緣性強的層以置於鐵電層與柵極之間；鐵電材料的高剩餘極化帶來的問題；有限的保持時間（約幾天，而要求10年）。^[5]

只要鐵電層能相應地進行尺寸縮放，基於Fe FET的存儲器器件預期能夠像MOSFET一樣縮小；但橫向尺寸約20 nm左右可能會出現極限（即超順電極限，亦稱「鐵電極限」）。^[6]其他限制器件微縮的因素還包括：鐵電薄膜厚度減小時產生的附加（不希望出現的）極化效應；電荷注入；以及漏電流問題。^[5]

研究與開發

1電晶體鐵電RAM存儲單元結構圖

2017年，有報道指出已在22納米工藝節點上，採用全耗盡絕緣體上矽CMOS並使用二氧化鉿作為鐵電層構建了Fe FET基非揮發性記憶體，其最小器件單元面積為0.025 μm²，以32 Mbit陣列方式製備，採用約10 ns、4.2 V的置位/復位脈衝；器件耐久性達10⁵次寫循環，數據保持能力可耐受300 °C。^[7]

截至2017年 (2017-Missing required parameter 1=month!)^[update]，創業公司Ferroelectric Memory Company正在嘗試將Fe FET存儲器商業化，其技術基於二氧化鉿，聲稱可縮放至現代製程節點，且可與當代工藝（如HKMG（英語：High-κ dielectric））集成，僅需增加兩道掩膜即可納入傳統CMOS流程。^[8]

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