《自然·电子学》铁电晶体管：有望实现存算一体化

来源：高分子科学前沿

上个月，德国NaMLab公司的Michael Hoffmann等人在《Nature Electronics》上发文，强调了负电容场效应晶体管及其在先进半导体技术节点中的应用研究所面临的挑战。

虽然这些设备的未来应用仍不十分明朗，但其核心是铁电材料。此类材料的开关特性在一系列工程应用中都很有价值。铁电体具有固有的晶格极化，可通过施加外部电场对其进行切换。在施加的电场和存储的电荷之间的关系中，这种行为表现为迟滞回线。与典型电介质中观察到的极化不同，铁电体在去除电场后仍能够保持极化状态，表现出了非易失性（断电后仍能保持，与之相对的是易失性行为，即断电后不能保持）的行为。

20世纪70年代铁电场效应存储器钛酸钡薄膜的铁电迟滞回线

在早期的研究中，铁电材料非常脆弱，实用价值有限。一直到20世纪40年代，钛酸钡（一种坚固的介电化合物材料，具有高介电常数和低介电损耗）的发现推动了电子陶瓷行业的兴起与发展。这些铁电体只能生产出块体材料，且矫顽场很高（数kV cm-1）。因此，这些材料早期的应用主要集中在能够利用其高介电常数或是压电特性（施加机械应力导致电荷积累）的电容器和换能器等方面。

到了20世纪70年代，薄膜沉积技术的发展，已经能够制备亚微米级的钛酸钡薄膜，并用于电子设备。在那个时候，集成电路工业正蓬勃发展，在这种薄膜的帮助下，可以使用与工业相兼容的电压来实现转变。在早期的实验室演示中，研究人员使用钛酸钡作为金属-氧化物-半导体场效应晶体管结构中的栅极电介质，创建了铁电场效应晶体管。铁电体的转变行为导致晶体管的传输特性出现滞后，从而可以用作非易失性存储器。

在20世纪70年代后期，已经实现了铁电电容器和硅晶体管的单片集成。 后来，采用与易失性动态随机存取存储器（volatile DRAM，即现在的电脑内存）相似的电路布局来设计制备存储电路（即将晶体管的漏极连接到铁电电容器）成为了一种常用的方法。 这种电路设计在Ramtron（2012年被Cypress Semiconductor收购）和Texas Instruments等公司获得了商业栅上的成功。 但是，由于铁电氧化物的沉积工艺与较小的硅技术节点无法兼容，因此铁电场效应晶体管并未得到广泛的应用。

一直到了2007年，事情出现了转机。为了维持器件性能，硅基晶体管尺寸的缩小需要越来越薄的氧化硅电介质。但是同时也导致了漏电流的增加，从而影响了效率和可靠性。因此，英特尔采用了氧化铪材料：这种栅极材料具有极高的介电常数，在厚度更薄的情况下也能够限制漏电流，并保持静电耦合和设备性能。目前，氧化铪电介质在先进的硅技术节点中的使用已得到公认。此外，2011年，研究人员发现通过适当掺杂，氧化铪也可表现出铁电性能。

佐治亚理工的Asif Khan，斯坦福大学的Ali Keshavarzi和诺特丹大学的Suman Datta等人在本期《自然·电子学》的一篇行业展望（Perspective）的文章中，讨论了基于氧化铪的铁电场效应晶体管在先进微电子行业的可行性——为他们称为铁电子的电子设备提供一种新方法。这些设备的能效，速度和尺寸适用于各种专用的存储电路应用。同时，还可以通过将逻辑和存储器集成在单个设备中，克服传统计算系统“内存墙”（内存性能严重限制CPU性能发挥的现象）。

Khan以及来自佐治亚理工，斯坦福大学和诺特丹大学的同事们也强调指出，除了二进制存储应用以外，铁电场效应晶体管还有很多应用方向。如对其进行设计以显示可塑性和多个逻辑水平，拓展铁电场效应晶体管在人工神经网络和神经形态计算等方向上的应用。当前，大多数人工神经网络都在常规计算系统上基于软件仿真的方式来运行。为了满足机器学习和人工智能的未来需求，我们需要开发更有效的，能够从物理上模拟生物系统的行为的神经形态硬件。

如今，电子与计算行业面临的许多大型挑战都集中在以数据为中心的应用以及架构上。从技术层面尤其是神经形态设备的角度来看，仍然需要下苦工。好在氧化铪的可靠性以及先进技术节点上铁电场效应晶体管的存储功能已经得到了验证。因此，如果铁电电子在未来的硬件设备中能够扮演关键角色，那么在超大规模集成电路中使用铁电场效应晶体管技术将十分重要。