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Fatigue of ferroelectric field effect transistor: mechanisms and optimization strategies
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作者 Yu Song Pengfei Jiang +10 位作者 Pan Xu Xueyang Peng Qianqian Wei Qingyi Yan Wei Wei Yuan Wang Xiao Long Tiancheng Gong Yang Yang Eskilla Venkata Ramana Qing Luo 《Journal of Semiconductors》 2025年第6期66-78,共13页
The novel HfO2-based ferroelectric field effect transistor(FeFET)is considered a promising candidate for next-genera-tion nonvolatile memory(NVM).However,a series of reliability issues caused by the fatigue effect hin... The novel HfO2-based ferroelectric field effect transistor(FeFET)is considered a promising candidate for next-genera-tion nonvolatile memory(NVM).However,a series of reliability issues caused by the fatigue effect hinder its further develop-ment.Therefore,a comprehensive understanding of the fatigue mechanisms of the device and optimization strategies is essen-tial for its application.The fundamental mechanism of the fatigue effect is attributed to charge trapping and trap generation based on the current studies,and the underlying causes,occurrence locations and specific impacts are analyzed in this review.In particular,the asymmetric trapping/detrapping of electrons and holes,as well as the relationship between the ferroelectric(FE)polarization and charge trapping,are given particular attention.After categorizing and summarizing the current progress,we propose a series of optimization strategies derived based on the fatigue mechanisms. 展开更多
关键词 fefet FATIGUE charge trapping trap generation
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铁电基的存算一体组合优化求解器
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作者 钱煜 杨泽禹 +7 位作者 王然然 蔡嘉豪 李超 黄庆荣 樊凌雁 李云龙 卓成 尹勋钊 《电子与信息学报》 北大核心 2025年第9期3104-3115,共12页
组合优化问题在诸多领域应用广泛,大多属于非确定多项式时间难题,基于冯·诺依曼架构的传统数字计算机难以满足其极高计算复杂度的需求。具有阈值电压可编程特性和多端口输入结构的铁电晶体管(FeFET)为高效求解组合优化问题提供了... 组合优化问题在诸多领域应用广泛,大多属于非确定多项式时间难题,基于冯·诺依曼架构的传统数字计算机难以满足其极高计算复杂度的需求。具有阈值电压可编程特性和多端口输入结构的铁电晶体管(FeFET)为高效求解组合优化问题提供了新的机遇。基于FeFET的存算一体架构具有能效高、延时低等特点,同时支持对向量-矩阵及向量-矩阵-向量乘法等复杂算子的加速,非常适合求解组合优化问题。该文回顾了FeFET的器件特性,介绍了组合优化问题的基本求解过程,并进一步探讨了近年来面向等式约束、不等式约束和纳什均衡场景下基于FeFET的存算一体组合优化求解器工作。最后,该文从多个方面分析并展望了基于FeFET的存算一体组合优化求解器的前景与挑战。 展开更多
关键词 铁电晶体管 存算一体 组合优化
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高介电常数材料在半导体存储器件中的应用 被引量:17
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作者 邵天奇 任天令 +1 位作者 李春晓 朱钧 《固体电子学研究与进展》 CAS CSCD 北大核心 2002年第3期312-317,共6页
高介电常数材料是当前微电子行业最热门的研究课题之一。它的应用为解决当前半导体器件尺寸缩小导致的栅氧层厚度极限问题提供了可能性 ,同时利用一些高介电常数材料具有的特殊物理特性 ,可实现具有特殊性能的新型器件。文中主要介绍几... 高介电常数材料是当前微电子行业最热门的研究课题之一。它的应用为解决当前半导体器件尺寸缩小导致的栅氧层厚度极限问题提供了可能性 ,同时利用一些高介电常数材料具有的特殊物理特性 ,可实现具有特殊性能的新型器件。文中主要介绍几类常用的高介电常数材料的特性和制备方法 。 展开更多
关键词 半导体存储器件 高介电常数材料 铁电体 氮化物 铁电场效应管
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一种嵌入铁电晶体管内容寻址存储器的高能效浮点运算结构 被引量:3
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作者 张力 高迪 +5 位作者 陈烁 卢旭东 庞展曦 陈闯涛 尹勋钊 卓成 《电子与信息学报》 EI CSCD 北大核心 2021年第6期1518-1524,共7页
随着数据密集型应用的日益增多,内存墙问题已成为制约计算效率的瓶颈。该文提出一种新型的浮点数(FP)运算结构,该结构嵌入了基于铁电场效应晶体管(FeFET)的三元内容寻址存储器(TCAM)以实现高效的计算。通过特定规则设计的超高密度TCAM结... 随着数据密集型应用的日益增多,内存墙问题已成为制约计算效率的瓶颈。该文提出一种新型的浮点数(FP)运算结构,该结构嵌入了基于铁电场效应晶体管(FeFET)的三元内容寻址存储器(TCAM)以实现高效的计算。通过特定规则设计的超高密度TCAM结构,可以用能效更高的TCAM搜索操作代替部分传统浮点运算,从而节约整体能耗。仿真实验证明,该文所提结构和运算执行流程,与常规浮点运算单元(FPU)相比,可以降低多达33%的能耗。 展开更多
关键词 铁电场效应晶体管 三元内容寻址寄存器 浮点运算 能效
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Recent progress on integrating two-dimensional materials with ferroelectrics for memory devices and photodetectors 被引量:2
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作者 王建禄 胡伟达 《Chinese Physics B》 SCIE EI CAS CSCD 2017年第3期114-120,共7页
Two-dimensional (2D) materials, such as graphene and MoS2 related transition metal dichalcogenides (TMDC), have attracted much attention for their potential applications. Ferroelectrics, one of the special and tra... Two-dimensional (2D) materials, such as graphene and MoS2 related transition metal dichalcogenides (TMDC), have attracted much attention for their potential applications. Ferroelectrics, one of the special and traditional dielectric materials, possess a spontaneous electric polarization that can be reversed by the application of an external electric field. In recent years, a new type of device, combining 2D materials with ferroelectrics, has been fabricated. Many novel devices have been fabricated, such as low power consumption memory devices, highly sensitive photo-transistors, etc. using this technique of hybrid systems incorporating ferroelectrics and 2D materials. This paper reviews two types of devices based on field effect transistor (FET) structures with ferroelectric gate dielectric construction (termed FeFET). One type of device is for logic applications, such as a graphene and TMDC FeFET for fabricating memory units. Another device is for optoelectric applications, such as high performance phototransistors using a graphene p-n junction. Finally, we discuss the prospects for future applications of 2D material FeFET. 展开更多
关键词 two-dimensional materials FERROELECTRICS fefet PVDF PHOTODETECTOR
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Single event effect in a ferroelectric-gate field-effect transistor under heavy-ion irradiation
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作者 燕少安 唐明华 +8 位作者 赵雯 郭红霞 张万里 徐新宇 王旭东 丁浩 陈建伟 李正 周益春 《Chinese Physics B》 SCIE EI CAS CSCD 2014年第4期433-437,共5页
The single event effect in ferroelectric-gate field-effect transistor (FeFET) under heavy ion irradiation is investigated in this paper. The simulation results show that the transient responses are much lower in a F... The single event effect in ferroelectric-gate field-effect transistor (FeFET) under heavy ion irradiation is investigated in this paper. The simulation results show that the transient responses are much lower in a FeFET than in a conventional metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) when the ion strikes the channel. The main reason is that the polarization-induced charges (the polarization direction here is away from the silicon surface) bring a negative surface po- tential which will affect the distribution of carders and charge collection in different electrodes significantly. The simulation results are expected to explain that the FeFET has a relatively good immunity to single event effect. 展开更多
关键词 single event effect heavy ion irradiation charge collection ferroelectric memory fefet
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铁电场效应晶体管及其反相器的TCAD模拟研究
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作者 王冬 毛燕湖 +2 位作者 燕少安 肖永光 唐明华 《湘潭大学学报(自然科学版)》 CAS 2019年第4期66-75,共10页
以铁电场效应晶体管(Ferroelectric Field Effect Transistor,FeFET)为存储单元的铁电存储器具有低功耗、高密度、高速度、抗辐射和非挥发性等优点,在航空航天以及民用消费电子中都有广阔的应用前景.但是,对于由FeFET构成的同时具有逻... 以铁电场效应晶体管(Ferroelectric Field Effect Transistor,FeFET)为存储单元的铁电存储器具有低功耗、高密度、高速度、抗辐射和非挥发性等优点,在航空航天以及民用消费电子中都有广阔的应用前景.但是,对于由FeFET构成的同时具有逻辑功能与存储功能的门电路(Ferroelectric Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,FeCMOS),目前的研究工作还相对较少.用FeCMOS作为铁电存储器的外围读写电路,理论上可以大大增强其抗辐射能力.因此,该文以金属-铁电层-绝缘层-半导体(Metal gate-Ferroelectric layer-Insulation layer-Semiconductor,MFIS)结构的FeFET为研究对象,利用TCAD(Technology Computer Aided Design)软件中的器件电学性能仿真模块,在不同器件参数下对FeFET及其构成的FeCMOS反相器进行了细致的电学性能模拟仿真. 展开更多
关键词 fefet FeCMOS 反相器 电学性能 TCAD仿真
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Charge trapping effect at the interface of ferroelectric/interlayer in the ferroelectric field effect transistor gate stack
8
作者 孙晓清 徐昊 +2 位作者 柴俊帅 王晓磊 王文武 《Chinese Physics B》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第8期457-464,共8页
We study the charge trapping phenomenon that restricts the endurance of n-type ferroelectric field-effect transistors(FeFETs)with metal/ferroelectric/interlayer/Si(MFIS)gate stack structure.In order to explore the phy... We study the charge trapping phenomenon that restricts the endurance of n-type ferroelectric field-effect transistors(FeFETs)with metal/ferroelectric/interlayer/Si(MFIS)gate stack structure.In order to explore the physical mechanism of the endurance failure caused by the charge trapping effect,we first establish a model to simulate the electron trapping behavior in n-type Si FeFET.The model is based on the quantum mechanical electron tunneling theory.And then,we use the pulsed I_d-V_g method to measure the threshold voltage shift between the rising edges and falling edges of the FeFET.Our model fits the experimental data well.By fitting the model with the experimental data,we get the following conclusions.(i)During the positive operation pulse,electrons in the Si substrate are mainly trapped at the interface between the ferroelectric(FE)layer and interlayer(IL)of the FeFET gate stack by inelastic trap-assisted tunneling.(ii)Based on our model,we can get the number of electrons trapped into the gate stack during the positive operation pulse.(iii)The model can be used to evaluate trap parameters,which will help us to further understand the fatigue mechanism of FeFET. 展开更多
关键词 FERROELECTRIC INTERFACE ferroelectric field-effect transistors(fefets) charge trapping
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低能质子辐射对铁电场效应晶体管性能影响模拟
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作者 黄景 谭鹏飞 +1 位作者 刘怡廷 李波 《现代应用物理》 2021年第4期121-127,共7页
基于铁电材料极化模拟的相场模型,结合半导体器件方程建立了金属-铁电-绝缘层-半导体结构铁电场效应晶体管(FeFET)性能研究的理论模型,利用蒙特卡方法模拟分析质子辐照产生的缺陷对FeFET性能的影响.计算结果表明,当入射角度为0,能量为10... 基于铁电材料极化模拟的相场模型,结合半导体器件方程建立了金属-铁电-绝缘层-半导体结构铁电场效应晶体管(FeFET)性能研究的理论模型,利用蒙特卡方法模拟分析质子辐照产生的缺陷对FeFET性能的影响.计算结果表明,当入射角度为0,能量为10~100 KeV的质子入射FeFET时,FeFET中铁电层的矫顽场和剩余极化强度随质子辐射产生氧空位数密度的增加而减小,这是由于位移损伤会产生氧空位,氧空位产生缺陷偶极子,进而导致铁电层的畴结构发生变化,最终导致BaTiO_(3)薄膜的极化发生变化;随着入射质子能量的增加,质子诱导产生的氧空位数密度增大,FeFET的剩余极化强度、矫顽场的绝对值和存储窗口均减小,开态电流稍减小,关态电流增加.研究表明,辐射会导致FeFET器件性能发生退化. 展开更多
关键词 质子辐射 fefet 相场方法
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一种可以表征铁电晶体管存储性能退化的宏模型 被引量:2
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作者 刘福东 康晋锋 +2 位作者 安辉耀 刘晓彦 韩汝琦 《北京大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第6期989-994,共6页
从铁电晶体管的动态翻转和双阈值转移特性出发,建立了一种基于施密特触发器的FEFET(铁电场效应晶体管)行为级宏模型。该宏模型可以表征FEFET的转移特性,并且模型参数较少便于调节;模型结构简单、规模较小,可用于HSPICE电路模拟。模拟结... 从铁电晶体管的动态翻转和双阈值转移特性出发,建立了一种基于施密特触发器的FEFET(铁电场效应晶体管)行为级宏模型。该宏模型可以表征FEFET的转移特性,并且模型参数较少便于调节;模型结构简单、规模较小,可用于HSPICE电路模拟。模拟结果与FEFET实验结果比较,显示该模型能够很好地反映铁电材料的疲劳等因素引起的FEFET的存储性能退化,为FEDRAM(铁电动态随机存储器)设计和优化提供了一个良好的模型基础。 展开更多
关键词 铁电动态随机存储器 铁电场效应晶体管 宏模型 HSPICE 模拟
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基于免疫算法的铁电场效应晶体管多态门设计方法 被引量:3
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作者 张立宁 胡伟晨 +1 位作者 王新安 崔小乐 《电子与信息学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第9期3157-3165,共9页
应用于硬件安全领域的多态电路对于除金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)外的新器件的研究较少,往往只有少数几个设计实例,缺乏一般化的研究方法和多态门设计平台。面向铁电场效应晶体管(FeFET)器件,该文提出一种多态门设计方法。该... 应用于硬件安全领域的多态电路对于除金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)外的新器件的研究较少,往往只有少数几个设计实例,缺乏一般化的研究方法和多态门设计平台。面向铁电场效应晶体管(FeFET)器件,该文提出一种多态门设计方法。该方法利用免疫算法,将基于FeFET的多态门电路生成问题归结为生物代际演化过程。该文利用C++语言平台和Hspice仿真工具实现了完整的FeFET多态门设计算法,结合具体的工艺和电路模型搭建了多态门的设计平台。实验结果表明,该设计方法可有效地生成出基于FeFET的多态电路,其所生成的多态门电路可实现温度、电源电压和外部信号多种控制方式。 展开更多
关键词 多态门 铁电场效应晶体管 免疫算法 硬件安全
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基于铁电晶体管的存储与存算一体电路 被引量:2
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作者 刘勇 李泰昕 +2 位作者 祝希 杨华中 李学清 《电子与信息学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第9期3083-3097,共15页
近年来,物联网和人工智能等技术的发展对片上存储与智能计算的能效、密度以及性能提出了更高的要求。面对传统CMOS处理器的能效与密度瓶颈,以及传统冯·诺伊曼架构的“存储墙”瓶颈,以铁电晶体管(FeFET)为代表的新型非易失存储器(N... 近年来,物联网和人工智能等技术的发展对片上存储与智能计算的能效、密度以及性能提出了更高的要求。面对传统CMOS处理器的能效与密度瓶颈,以及传统冯·诺伊曼架构的“存储墙”瓶颈,以铁电晶体管(FeFET)为代表的新型非易失存储器(NVM)提供了新的机遇。FeFET具有非易失、高能效、高开关比等特点,非常适合低功耗、高密度场景下的存储与存算一体(CiM)应用,为数据密集型应用在边缘端的部署提供支持。该文回顾了FeFET的发展历程、结构、特性以及建模相关的工作,概述了FeFET存储器在电路结构和访存机制上的探索与优化。进一步地,该文还探讨了FeFET CiM在非易失计算、存内逻辑计算、矩阵向量乘法以及内容可寻址存储器上的应用。最后,该文从不同方面分析并展望了基于FeFET的存储与CiM电路的前景与挑战。 展开更多
关键词 铁电晶体管 铁电器件 存储器 存内计算 非易失存储器
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铁电晶体管存储器的读出电路设计
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作者 何伟 杨健苍 +2 位作者 翟亚红 杨成韬 李俊宏 《压电与声光》 CSCD 北大核心 2014年第2期294-296,301,共4页
通过对铁电晶体管电学特性分析,提出了铁电晶体管的仿真模型,并设计了一种新型单管(1T)结构的读出电路。通过此模型进行了仿真验证,并与传统双管(2T)结构的电流放大读出电路的仿真结果进行对比,结果表明,新型1T结构读出电路在读出速度,... 通过对铁电晶体管电学特性分析,提出了铁电晶体管的仿真模型,并设计了一种新型单管(1T)结构的读出电路。通过此模型进行了仿真验证,并与传统双管(2T)结构的电流放大读出电路的仿真结果进行对比,结果表明,新型1T结构读出电路在读出速度,可靠性及电路结构大小等方面均有提高。 展开更多
关键词 铁电晶体管 仿真模型 单管结构 读出电路
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CMOS-compatible 2D semiconductor-nitride ferroelectric based optoelectronic memristive transistors for neuromorphic sensory computing and optical decoding
14
作者 Fei Xiao Dongxin Tan +8 位作者 Zheng-Dong Luo Dawei Zhang Xuetao Gan Zhufei Chu Fei Xue Yinshui Xia Yan Liu Yue Hao Genquan Han 《Science Bulletin》 2026年第2期293-303,共11页
Optoelectronic memristive devices that enable neuromorphic sensory computing with integrated sensing,memory and processing functionalities,have been identified as a promising element for next-generation artificial vis... Optoelectronic memristive devices that enable neuromorphic sensory computing with integrated sensing,memory and processing functionalities,have been identified as a promising element for next-generation artificial vision systems.However,the optoelectronic memristive dynamics of these devices are largely based on engineered structures and/or innovative functional nanomaterials,presenting critical challenges for their silicon complementary metal-oxide-semiconductor(CMOS)technology compatibility at a scalable application perspective.Here we demonstrate a CMOS-compatible optoelectronic memristive device based on the aluminium scandium nitride(AlScN)ferroelectric/two-dimensional(2D)semiconductor heterostructure enabled ferroelectric field-effect transistor(FeFET).We show that such FeFETs can be fabricated under the back-end-of-line(BEOL)thermal budget and exhibit non-volatile electronic memory properties.Harnessing the light-induced ferroelectric domain reconfiguration in the AlScN layer,these devices offer light-tunable short-and long-term memristive properties,directly linking light stimulation history to electronic dynamics.Such a working principle enables rich optoelectronic synaptic functions and the implementation of the psychological human visual memory model,offering a critical demonstration for optical neuromorphic sensory computing.Furthermore,a linear and non-volatile dependence of the photoresponse current on the light intensity is exploited for the optical information decoding.Our results mark new opportunities for CMOS-compatible optoelectronic memristive devices as the hardware basis of next-generation neuromorphic vision architectures. 展开更多
关键词 fefet 2D transistors Ferroelectrics Non-volatile memory Optoelectronic memory
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Robustly stable intermediate memory states in HfO_(2)-based ferroelectric field-effect transistors 被引量:1
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作者 Chen Liu Binjian Zeng +8 位作者 Siwei Dai Shuaizhi Zheng Qiangxiang Peng Jinjuan Xiang Jianfeng Gao Jie Zhao Jincheng Zhang Min Liao Yichun Zhou 《Journal of Materiomics》 SCIE 2022年第3期685-692,共8页
Multilevel ferroelectric field-effect transistors(FeFETs)integrated with HfO_(2)-based ferroelectric thin films demonstrate tremendous potential in high-speed massive data storage and neuromorphic computing applicatio... Multilevel ferroelectric field-effect transistors(FeFETs)integrated with HfO_(2)-based ferroelectric thin films demonstrate tremendous potential in high-speed massive data storage and neuromorphic computing applications.However,few works have focused on the stability of the multiple memory states in the HfO_(2)-based FeFETs.Here we firstly report the write/read disturb effects on the multiple memory states in the Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_(2)(HZO)-based FeFETs.The multiple memory states in HZO-based FeFETs do not show obvious degradation with the write and read disturb cycles.Moreover,the retention characteristics of the intermediate memory states in HZO-based FeFETs with unsaturated ferroelectric polarizations are better than that of the memory state with saturated ferroelectric polarization.Through the deep analysis of the operation principle of in HZO-based FeFETs,we speculate that the better retention properties of intermediate memory states are determined by the less ferroelectric polarization degradation and the weaker ferroelectric polarization shielding.The experimental and theoretical evidences confirm that the long-term stability of the intermediate memory states in HZO-based FeFETs are as robust as that of the saturated memory state,laying a solid foundation for their practical applications. 展开更多
关键词 Ferroelectric fieldeffect transistors(fefets) Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_(2)(HZO) Multiple memory states Write/read disturb Retention
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