创新架构与机制突破性能极限
针对现有技术瓶颈，北京大学彭练矛院士-邱晨光研究员团队另辟蹊径，创新性提出“纳米栅铁电晶体管结构”及“纳米栅极电场增强机理”核心物理机制。通过将栅极尺寸微缩至纳米极限尺度，利用纳米栅电场汇聚效应，在铁电层内构建高度局域化的高密度电场区域，显著提升铁电极化调控效率，最终实现器件在0.6V超低电压下稳定工作，能耗低至0.45 fJ/μm，彰显了该技术在亚1纳米节点超低功耗芯片应用中的巨大潜力。
1.理论仿真验证：纳米栅结构的优越性与电场增强效应
研究团队通过TCAD理论仿真，系统探究了纳米栅铁电场效应晶体管的物理机制与电学特性，并构建了具有相同层叠结构、常规栅长对比器件，以验证纳米栅结构的核心优势（图2A和B）。仿真结果表明，1 nm尺寸的纳米栅电极施加-0.6V偏压时，铁电层（CIPS）中可形成高度局域化的强电场分布，峰值电场强度达2.7×106V/cm，远超CIPS材料的临界矫顽场（5×105 V/cm），可有效触发铁电极化翻转（图2C）；而常规栅器件在相同偏压下，仅能产生1×105 V/cm的弱电场，远未达到极化翻转阈值。
2. 器件制备与机理解析：双机制协同实现电场增强
以金属性碳纳米管为栅电极，研制出纳米栅MoS2铁电场效应晶体管。器件采用垂直堆叠的范德华MFMIS异质结构，核心包括：金属性碳纳米管（纳米栅）、CIPS（铁电层）、石墨烯（浮栅）、六方氮化硼（介电层）及MoS2（半导体沟道）（图3A-C）。测试结果显示，器件在0.6V工作电压下，转移特性呈现清晰的逆时针存储窗口，开关比接近四个数量级，存储窗口为0.75V，性能表现优异（图3D和E）。
深入机理分析表明，纳米栅器件的电场增强效应源于两大核心因素的协同作用：一是纳米栅显著提升电容耦合效率与铁电层分压效率，通过缩小栅长有效增强了铁电层中电场强度，为降低工作电压提供结构基础；二是纳米栅尖端电场增强效应，进一步强化铁电层局部电场强度，确保在0.6V超低电压下实现CIPS铁电极化翻转（图3F和G）。此外，从热力学角度，结合吉布斯自由能分析可证实，纳米栅诱导的电场增强效应可使电场强度超越临界矫顽场，此时吉布斯自由能分布呈现单一能量极小值，证明0.6V栅压足以提供极化翻转所需的能量，为超低电压工作提供了理论支撑（图3H）。
图3 | 纳米栅MoS2铁电晶体管的器件结构与电学表征。（A）纳米栅MoS2铁电晶体管的结构示意图。（B）代表性器件的截面透射电镜（TEM）图像。比例尺为5 nm。（C）代表性器件扫描电镜（SEM）图像。比例尺为1 μm。（D）栅长为1 nm、CIPS厚度为14 nm的MoS2铁电晶体管在不同栅压下的电导曲线。当工作电压达到±0.6 V或更高时，转移曲线呈现具有大存储窗口的典型逆时针回线。（E）器件的电流开关比和存储窗口随工作电压变化的关系。（F）MoS2铁电晶体管的栅极缩放示意图，展示了两个电场增强机制：铁电电容与MOS电容的耦合增强，以及纳米尖端诱导的电场增强效应（NEFE）。（G）在工作电压固定为0.6 V的条件下，铁电晶体管CIPS中的电场随栅长和CIPS厚度变化的关系。当栅长从50 nm缩小至1 nm时，CIPS中的电场得到增强（不考虑NEFE，从深棕色线到橙色线）。若考虑1 nm单壁碳纳米管（SWCNT）电极的NEFE效应，采用2.6倍增强因子修正，则更为合理的电场强度（红色曲线）可在一定CIPS厚度范围内超过CIPS标称矫顽场。（H）在工作电压固定为0.6 V的条件下，14 nm厚CIPS铁电晶体管的吉布斯自由能（左）和电场（右）随栅长变化的关系。在不考虑NEFE的情况下，当栅长从50 nm缩小至1 nm时，CIPS的吉布斯自由能逐渐趋于翻转（从深棕色线到橙色线）。考虑NEFE效应后，吉布斯自由能曲线演变为具有单一能量最小值的状态（红色曲线）。
3. 关键突破：低于矫顽电压的超低电压工作特性
研究了不同CIPS厚度下纳米栅FeFET的电场增强效应，综合评估电导特性、开关比、存储窗口等关键性能参数（图4A和B）。研究发现，所制备的纳米栅FeFET实现了低于CIPS标称矫顽电压的超低工作电压，电压效率高达125%，位居全球已报道FeFET器件首位（图4C和D）。
传统铁电晶体管的工作电压必须高于材料矫顽电压才能实现极化翻转，而该团队研制的纳米栅FeFET，凭借强铁电-电容耦合效应（将电压效率提升至接近100%）与纳米栅电场聚焦效应（推动电压效率突破100%理论极限）的协同作用，实现了电压效率的跨越式提升。此外，纳米栅FeFET还具备优异的稳定性，在104秒数据保持时间与104次写入/擦除循环后，开关态沟道电流无显著退化，为实际应用奠定了坚实基础（图4E和F）。
图4 | 具有超低工作电压、超过标称矫顽电压的纳米栅MoS2FeFET。（A）栅长为1 nm、CIPS厚度分别为14 nm、8 nm和6.5 nm的MoS2铁电晶体管的电导曲线，显示其工作电压（红色）低于CIPS的矫顽电压（蓝色）。（B）器件的电流开关比和存储窗口随CIPS厚度变化关系。（C）1 nm栅长MoS2铁电晶体管与其他基于CIPS的FeFET的工作电压对比。所有纳米栅FeFET均表现出低于CIPS矫顽电压的超低工作电压，而其他报道的FeFET则远高于矫顽电压。（D）纳米栅FeFET的电压效率高达125%，突破了常规FeFET的理论上限（100%），为目前已报道FeFET中的最高值。（E）和（F）分别为1 nm栅长FeFET的数据保持特性（E）和耐久特性（F）。该器件在0.6 V低电压（脉宽20 ns）下工作，展现出良好的数据保持能力和耐久性能。
4.超快响应速度，性能领跑国际同类器件
测试结果表明，纳米栅铁电晶体管可实现纳秒级存储速度，最快响应速度达1.6ns，兼顾超低功耗与高速存储特性（图5A-C）。该器件以0.6V工作电压将非易失性FET存储器工作电压降至商业先进CMOS逻辑电压（0.7V）以下（图5D）；其0.45 fJ/μm的存储能耗，更是比国际已报道的最低能耗值低一个数量级（图5F）。
图5 | 纳米栅MoS2铁电晶体管的工作速度与性能对比。（A）纳米栅FeFET的ID-VGS曲线，施加脉宽为1 μs、100 ns、10 ns和1.6 ns的电压脉冲，阈值电压发生明显右移。该器件的CIPS厚度约为33 nm。（B）工作电压随脉冲宽度的变化关系，显示随着脉冲宽度从1 μs缩短至1.6 ns，所需工作电压逐渐升高。（C）不同脉宽下电流开关比随脉冲电压的变化关系。当施加脉宽从1 μs到20 ns的脉冲时，脉冲工作电压与直流电压相近；而亚10 ns的超快脉冲则需要相对更大的工作电压。（D）本工作纳米栅FeFET与其他已报道FeFET在栅长和工作电压方面的对比。纳米栅FeFET是唯一栅长低于10 nm的铁电器件，并具有最低的0.6 V工作电压。（E）纳米栅FeFET与已报道FeFET的开关速度对比。器件展现出优异的存储速度，最快可达1.6 ns。（F）本工作纳米栅FeFET与已报道先进FeFET的开关能耗对比，开关能耗按FET沟道宽度归一化。（G）和（H）分别为纳米栅FeFET与栅长低于100 nm的先进FeFET在电流开关比（G）和存储窗口（H）方面的对比。
该研究创新性研制出物理栅长仅1 nm的纳米栅MoS2铁电场效应晶体管，核心突破在于通过纳米尖端电场聚焦效应与强铁电-电容耦合机制的协同作用，将电压效率提升至125%，首次实现铁电晶体管在低于铁电材料标称矫顽电压下的稳定工作，且工作电压（0.6V）与CMOS逻辑电压兼容。
纳米栅极电场增强效应具有普适性指导意义，可扩展至主流铁电材料体系，为铁电晶体管的结构优化与性能提升提供了全新思路。通过原子层沉积等标准CMOS工艺，有望研发出业界兼容的高性能、低功耗铁电存储芯片。该成果不仅破解了后摩尔时代铁电存储器件的超低功耗难题，更为亚1纳米节点存算一体芯片、高算力AI芯片的研发提供了核心器件支撑。
北京大学电子学院邱晨光副教授、彭练矛院士、徐琳博士为论文通讯作者，北京大学电子学院博士后孟德欢、博士研究生马学周、沈子卓为论文共同第一作者。
论文信息：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea5020
