Science子刊 | 0.6V超低電壓鐵電晶體管！

鐵電場效應晶體管作為一種非易失性存儲器技術，其工作原理依賴于鐵電材料的極化翻轉來存儲信息。當施加足夠的柵極電壓時，鐵電層的極化方向發生反轉，從而調控半導體溝道的載流子濃度，實現存儲狀態的切換。理論上，要使鐵電層極化翻轉，施加在鐵電層上的電壓必須超過其固有的矯頑電壓。

傳統FeFET的實際工作電壓往往遠高于鐵電材料的矯頑電壓。這是因為在實際器件結構中，外加柵壓不僅降落在鐵電層上，還會分配到介電層和半導體溝道上。這種電壓分配效應導致即使柵壓超過矯頑電壓，實際作用于鐵電層的電壓可能仍然不足以完全翻轉極化，導致鐵電晶體管器件工作電壓遠高于邏輯器件電壓。

特別是在未來亞1納米節點技術中，如何進一步降低FeFET的工作電壓，使其能夠與邏輯芯片的供電電壓相匹配，成為鐵電電子學領域亟待解決的重大科學問題。解決這一問題的關鍵，在于如何有效提高電壓利用效率，使得較低的外加柵壓就能在鐵電層中產生足以翻轉極化的電場強度。

成果簡介

北京大學團隊在《Science Advances》發表的最新研究，首次實現了柵長 1 納米的二硫化鉬納米柵FeFETs，創下了0.6V的超低工作電壓紀錄，低于先進邏輯晶體管的0.7V工作電壓，成功解決了存儲器與邏輯核心的電壓不匹配難題。這項研究的核心亮點體現在五大方面：

1、極致柵長與超低電壓突破：采用金屬單壁碳納米管（m-SWCNT）作為柵電極，將MoS2 FeFET的柵長縮至 1 納米，同時借助電場匯聚效應，使工作電壓降至0.6V，突破了鐵電材料本征矯頑電壓的限制，無需電荷泵電路即可與邏輯核心直接集成。

2、雙機制實現電場高效增強：通過鐵電-金屬氧化物半導體電容耦合增強和納米尖端誘導電場增強雙重機制，大幅提升鐵電層內電場強度。1 納米柵長下，鐵電層最大電場達2.7×106 V/cm，遠超CIPS的臨界矯頑場（5×105 V/cm），實現低電壓下的極化翻轉。

3、超高電壓效率與優異存儲性能：器件電壓效率高達 125%，遠超傳統 FeFETs（均低于 53%），成為目前已報道 FeFETs 中的最高值；同時展現出卓越的存儲特性，電流開關比高達2×106，編程速度快至 1.6 納秒，遠優于同類 2D CIPS 基 FeFETs。

4、抗短溝道效應與優異穩定性：納米柵FeFETs完全免疫短溝道效應，打破了傳統晶體管柵長縮放的限制，驗證了“越小越好”的鐵電晶體管縮放原則；器件在0.6V工作電壓下，104秒后電流開關比仍高于1×103，104次編程循環后無明顯退化，具備良好的長期穩定性。

5、工藝兼容與普適性拓展：納米柵電場增強機制具有普適性，可拓展至 HZO、鈣鈦礦等主流鐵電材料；同時該結構與標準 CMOS 工藝兼容，可通過原子層沉積等先進制造技術實現固態納米柵，支持晶圓級制造和3D NAND結構集成，具備實際產業化潛力。

總結與展望

本研究成功制備了柵長1納米、工作電壓0.6V的MoS2納米柵鐵電晶體管，將FeFETs的工作電壓降至先進邏輯晶體管之下，解決了存儲器與邏輯核心的電壓不匹配核心難題。研究的核心創新在于將納米尖端電場增強機制引入 FeFETs，通過金屬單壁碳納米管納米柵實現了電場的高效匯聚，結合鐵電-金屬氧化物半導體電容耦合增強的雙重機制，不僅突破了鐵電材料本征矯頑電壓的限制，還實現了125%的超高電壓效率，同時使器件具備超高開關比、超快編程速度和優異的穩定性，且完全免疫短溝道效應。

這項研究為鐵電電子學在亞1納米節點的發展奠定了關鍵基礎，確立了 FeFETs “越小越好” 的獨特縮放原則，納米柵FeFETs可通過電場的空間聚焦實現低電壓、高能效的非易失性存儲，為集成電路的進一步高密度集成提供了全新方案。

論文信息

Meng et al., Nanogate ferroelectric transistors with ultralow operation voltage of 0.6 V. Sci. Adv. 12, eaea5020 (2026).

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea5020

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