PVDF铁电薄膜的负电容特性及其在低功耗场效应晶体管中应用的研究

Negative capacitance in ferroelectric materials, which can be incorporated into a transistor for lowering the subthreshold swing, provides a promising solution to reduce the power consumption of integrated circuit and to improve the stability of the system on chip. The research proposed here seeks to investigate the negative capacitance effect in ferroelectric polymer PVDF thin films, and to exploit this new effect for low power field-effect transistors. PVDF thin films with different thicknesses in nanometer range will be prepared by Langmuir-Blodgett (LB) technique. Negative capacitance in PVDF can be stabilized in a series capacitance system using an appropriate dielectric layer where the total capacitance is enhanced. The electrical properties of Metal-Ferroelectric-Insulator-Semiconductor (MFIS) structure will be studied and a theoretical model to describe the mechanism for generating negative capacitance will be established. In order to realize a low voltage and low energy operation in negative capacitance field-effect transistors based on PVDF thin films, the device structures and operating parameters of Metal-Ferroelectric-Insulator-Semiconductor Field Effect Transistor (MFISFET) will be optimized. The achievements in the proposed research will provide necessary theoretical and technical information for improving the power dissipation of electronics using negative capacitance.

利用铁电材料的负电容特性降低晶体管的亚阈值摆幅是解决当前集成电路功耗与稳定性问题最有前景的途径之一。本项目将系统研究铁电聚合物PVDF薄膜的负电容特性，并开发其在低功耗场效应晶体管中的应用。首先通过采用Langmuir-Blodgett (LB)技术制备不同厚度的纳米尺度的PVDF薄膜，研究PVDF薄膜与电介质层串联结构的电容增强效应，以确定负电容特性的稳定条件；通过研究金属-铁电层-介电层-半导体(MFIS)结构电容的电学性能，建立理论模型揭示负电容特性的产生机理；同时通过设计优化金属-铁电层-介电层-半导体结构场效应晶体管(MFISFET)的器件结构和工作参数，实现基于PVDF薄膜负电容特性场效应晶体管的低电压、低功耗操作。本项目的研究将为有效利用铁电负电容改善集成电路功耗提供一定的理论和技术基础。

近年来随着微电子技术的高速发展，存储器和逻辑器不断向小尺度和高密度的方向发展，使得集成电路的功耗不断增加是人们需要解决的一个迫切问题。铁电材料的负电容效应能够克服传统晶体管的亚阈值摆幅不能低于60mV/decade的极限，从而降低器件的功耗。聚偏氟乙烯（PVDF）是最具有代表性同时也是最重要的有机铁电材料。本项目提出系统研究铁电聚合物PVDF薄膜的负电容效应，并开发其在低功耗场效应晶体管中的应用。在项目执行的三年时间里，采用LB技术和旋涂法制备了不同厚度的PVDF薄膜，研究了铁电聚合物薄膜的反转动力学,揭示了各种内外在因素，包括薄膜厚度，电场，温度，电极和前置极化条件对薄膜极化反转过程的影响。发现了PVDF薄膜中以瞬态极化电流峰为特征的尺寸效应，可归结于极化反转机理的变化。我们在金属-铁电层-介电层-金属的MFIM结构中通过剪切直线法还原铁电薄膜的本征电滞回线，得到‘S’形的电滞回线，矫頑场附近出现负电容。理论上，我们建立了基于外斯（Weiss）平均场理论的模型模拟串联结构中PVDF薄膜的本征电滞回线，与实验结果一致。研究表明，MFIM结构中的铁电负电容效应是由于电偶极子相互作用的正反馈效应引起的。通过外斯模型计算可以得到MFIM结构中负电容效应稳定的铁电薄膜和介电层的厚度范围。随后，我们制备了金属-铁电层-介电层-半导体(MFIS)结构电容，测量了铁电负电容的偏压和频率依赖性。测试频率越低，正偏压越大，负电容效应越显著。我们通过电流瞬态测量研究MFIS结构中的负电容机理。在脉冲电压下，MFIS结构出现电流随时间增大的电感现象。我们认为MFIS结构中的负电容效应是源于大量电子注入到半导体-绝缘体-金属界面。最后，我们对以PVDF薄膜为栅极的铁电负电容场效应晶体管进行了探索。本项目的研究成果对利用铁电负电容改善集成电路功耗具有积极的学术意义和应用价值。