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磁控范德华负电容晶体管通过磁-铁电-半导体多场耦合实现非接触式载流子调制，在0.1V低驱动电压下获得10^7高开关比和24.7mV/dec超低亚阈值摆幅，为低功耗微纳电子器件提供新方案。
池梦双|张翔|贾梦梦|王一帆|刘继涛|于艾芳|翟俊毅
中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所高熵能源与系统中心微纳能源与传感器北京重点实验室，中国北京，101400
摘要
负电容场效应晶体管（NCFET）利用铁电层的负电容效应来放大栅极电压，从而实现超陡的亚阈值摆幅（SS）特性，这种特性可以克服热电子极限，支持超低功耗电子器件的发展。在这项工作中，我们展示了磁控范德华NCFET（MG-NCFET），它将磁场调制集成到NCFET结构中以实现多场耦合。所制造的器件在0.1伏的低驱动电压下表现出10^7的高开/关电流比和24.7 mV/dec的最小亚阈值摆幅。磁场对载流子传输的调制实现了高达10^3的磁控开/关比以及稳定的周期性响应。这种方法使得外部磁场能够转换为有效的电控制信号，实现了磁、铁电和半导体功能之间的无接触耦合。所提出的MG-NCFET架构为多功能微/纳电子器件和集成多路复用系统提供了广阔的应用前景。
引言
压电和铁电极化电荷能够持续影响金属-半导体或半导体-半导体界面的电子特性。2007年，王等人首次通过利用机械力诱导的压电势来调节界面或结区的载流子传输，展示了压电效应[1]。通常，这种机械力是通过拉伸或弯曲嵌入有压电器件的柔性基底[2]、[3]、[4]、[5]，或利用原子力显微镜（AFM）[7]、[8]、[9]来产生的。然而，柔性基底常常会遭受应力集中和软化的问题，而基于AFM的方法可能会导致非均匀的力分布和明显的压电效应[10]、[11]、[12]，这促使人们开发出可控且实用的施加机械力的替代策略。一种有前景的方法依赖于不同物理场之间的耦合。电、光、热、机械和磁属性可以形成各种双场耦合，例如电光、磁光、磁机械和压电耦合[13]，而压光电子学则代表了三场耦合的一个典型例子[14]。在这种情况下，磁致伸缩材料提供了一种将磁刺激转换为应变的手段，从而实现磁-压电-铁电耦合。Terfenol-D的磁致伸缩性可以用来调节铁电极化，进而调控金属-半导体界面处的肖特基势垒高度，从而实现具有独特调制特性的磁场依赖型载流子传输。
除了压电效应之外，开发具有亚热电子亚阈值摆幅（SS）的场效应晶体管（FET）已成为低功耗电子学的一个核心主题。传统的MOSFET受到室温下60 mV/dec的玻尔兹曼极限的限制，使得进一步降低工作电压变得困难。已经探索了多种具有陡峭斜率的器件概念——如隧道FET[15]、[16]、[17]和撞击电离FET[18]、[19]——但负电容FET（NCFET）因其与CMOS的兼容性以及通过铁电负电容提供内部电压放大的能力而脱颖而出[20]、[21]、[22]、[23]。之前尝试使用磁场调节GaN基LED[24]、铁电FET[25]和铁电半导体FET[26]中的电流时，开关比仅在3.3–17的范围内，这主要是由于在大亚阈值摆幅下磁诱导的压电势影响有限。相比之下，NCFET的超陡亚阈值摆幅允许使用即使是微小的压电势也能有效调节电流[22]，表明磁-应变耦合可以显著增强磁控电流调制。磁场门控尚未在NCFET结构中实现。它实现了完全的非接触控制，建立了传统FET所不具备的可逆磁-机械-铁电-半导体耦合路径，并且与负电容结合使用时，与之前的磁电设备相比提供了显著增强的电流调制能力。
在本文中，设计并研究了一种磁控范德华负电容晶体管（MG-NCFET）多场耦合器件。MG-NCFET包括基底和NCFET。基底由Terfenol-D合金和100 nm的SiO?层组成，而NCFET包含CuInPS?（CIPS）、六方氮化硼（hBN）和MoS?。稀土Terfenol-D具有较大的磁致伸缩系数，在外部磁场作用下会产生可控的应变，这种应变传递到铁电CIPS层并调节MoS?通道中的载流子传输，这与传统的栅极电压控制不同。这种方法实现了磁、压电和半导体特性的非接触、室温耦合，并将磁控NCFET确立为多功能和可重构微/纳电子系统的一个有前景的方向。
部分摘要
MG-NCFET器件制备
由于Terfenol-D合金具有导电性，需要在其表面沉积100 nm的SiO?绝缘层，通过电子束蒸发工艺实现。首先，从块状Terfenol-D材料上剥离一层薄的MoS?材料并放置在其上。随后，将源极-漏极Au电极（通道长度为5 μm）转移到MoS?上。之后，将hBN和CIPS片材放置在聚二甲基硅氧烷（PDMS）聚合物印章上
结果与讨论
图1a展示了MG-NCFET器件的示意图，该器件采用了几层MoS?（2–3 nm）作为通道层，CIPS（46 nm）作为铁电层，hBN（6 nm）作为绝缘层。在Terfenol-D基底表面预先沉积了100 nm厚的SiO?绝缘层。器件制备过程首先通过机械剥离将MoS?转移到基底表面，然后依次转移预制的金电极作为源极/漏极
结论
总结来说，我们利用了磁致伸缩合金的变形特性将磁场引入压电效应中，从而在磁场、压电体和半导体之间建立了多场耦合。Terfenol-D合金与全二维范德华NCFET的结合使得在室温下和低磁场条件下可以直接调节半导体通道中的载流子传输。这种调制是通过磁场实现的
作者贡献
翟俊毅提出了这个项目。池梦双和翟俊毅设计了实验。原始稿件由池梦双撰写。池梦双和翟俊毅分析了结果。所有作者都审阅并批准了最终版本的手稿。
CRediT作者贡献声明
于艾芳：指导。
刘继涛：形式分析。
翟俊毅：写作——审阅与编辑、指导、项目管理、概念化。
池梦双：写作——原始稿件、项目管理、研究、形式分析、概念化。
张翔：方法论、研究。
王一帆：形式分析。
贾梦梦：方法论、研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号52192611）、北京自然科学基金（Z230024）和中央高校基本科研业务费的支持。
