鐵電場效應管基本結構及性能介紹-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2021-01-14
鐵電場效應管也就是鐵電介質柵極場效應晶體管（MFSFET，Metal-Ferroelectric-Semiconductor FET）：這是在MOSFET的基礎上，把柵極SiO2絕緣材料更換為高介電常數的鐵電材料即得。
因為MOSFET的飽和電流與柵極絕緣體材料的介電常數eox有正比例關系：Id sat = (1/2) (W/L）(εeox / dox ) (VGS－VT) 2。因此，增大柵極絕緣體材料的介電常數，即可增強晶體管的驅動能力，提高開關速度，并且還可以帶來工藝上的其它好處。
在MOSFET中常用的柵極絕緣材料的介電常數值為：SiO2 (3.8)，Si3N4 (6.4)，Al2O3 (>7.5)。柵絕緣層是50~60nm SiO2 + Si3N4的MOS器件，稱為MNOFET；柵絕緣層是50~60nm SiO2 + Al2O3的MOS器件，稱為MAOFET。
FFET單元基本結構為MFS-FET結構，即用鐵電薄膜取代MOS-FET中的柵介質層、利用鐵電薄膜的極化狀態調制半導體表面狀態，從而調制晶體管源、漏極間的導通狀態，區別邏輯態“0” 和“1"，以達到存儲信息的目的，如圖所示
當大于矯頑場的外加正向電壓加在柵極上，鐵電薄膜產生正極化。電場指向半導體表面，吸引負的補償電荷到半導體表面。對干于n型硅襯底，表面呈積累態、FET器件處于關斷狀態。
當大于矯頑場的外加負向電壓加在柵極上，鐵電薄膜產生負的級化，吸引正的補償電荷到半導體表面，n型硅表面呈耗盡直至反型，此時溝道導通。
如果源，漏加上偏壓，可產生電流。因此，對應于鐵電薄膜的正、負極化態，硅表面分別呈積累、反型兩種狀態。當源、漏施加電壓時，FET呈關斷和導通兩態，鐵電薄膜的兩個極化狀態是同樣穩定的。
對應的半導體表面穩定，這時FFET的通、斷就可實現二進制“0”和“1”的存儲，FFET的這種存儲機制稱為極化型存儲。
兩種不同的存儲機制對應兩種不同的F/S界面狀態，其C-V特性是不同的:極化型存儲對應的MFS結構p型襯底的C-V曲線回滯方向為順時針，n型襯底的則為逆時針，而注入型存儲對應的C-V曲線回滯方向則完全相反。
用高K材料作為柵絕緣層的場效應晶體管即稱為MFSFET。
至于對高介電常數柵極絕緣材料的要求，主要是：介電常數高，并與Si和SiO2的黏附性能好。能夠很好滿足這些要求的高介電常數材料（也稱為高k材料）。
MFSFET的柵極結構，基本上是MFS（金屬——高K材料——半導體）型式，但性能不夠穩定；MFIS型式比較好，其中的薄I層（SiO2等絕緣膜）能防止原子的擴散；
MFMIS型式似乎更好，其中在I層與高K材料之間又增加了一層金屬膜。MFSFET研制中需要解決的主要問題是減小柵極絕緣膜漏電，以延長信號的保存時間。
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