基于铪基铁电材料的负电容场效应晶体管的研究进展
前言
负电容场效应晶体管（NC-FET）是一种基于氧化层介电常数的新型晶体管，具有很好的高频性能和低功耗特性。然而，NC-FET的可靠性问题一直是制约其应用的关键因素之一。
其中，氧化层电场对NC-FET可靠性的影响被认为是最主要的因素之一。本文将从氧化层电场的角度探讨NC-FET可靠性问题，并介绍目前在这方面的研究进展。
NC-FET的基本原理
NC-FET的基本原理是基于氧化层电容的反向变化。它采用一种高介电常数的材料（如HfO2）作为氧化层，利用其本身的负电容效应来增强晶体管的传输特性。
在NC-FET的工作过程中，栅极施加的正向电压使得沟道区的电子浓度增加，从而增加了导通电流。当栅极施加反向电压时，氧化层的电容会发生反向变化，降低了沟道区的电子浓度，导致导通电流减小。因此，NC-FET的传输特性和栅极电压之间具有负反馈关系。
氧化层电场对NC-FET可靠性的影响
尽管NC-FET具有很好的高频性能和低功耗特性，但其可靠性问题一直是制约其应用的关键因素之一。其中，氧化层电场对NC-FET可靠性的影响被认为是最主要的因素之一。氧化层电场引起的效应有两种：击穿和氧化层损伤。
NC-FET氧化层击穿
当栅极施加的电压超过氧化层的击穿电场时，氧化层会发生击穿，从而引起NC-FET失效。氧化层的击穿电场是氧化层厚度、介电常数和电子亥姆霍兹自由能等因素的函数。
电荷注入模型是研究电荷在氧化层内的输运过程的关键模型之一。在此模型中，氧化层中的漏电流主要由两个部分组成：侧向漏电流和隧道电流。侧向漏电流主要是由于由于氧化层内的缺陷和杂质造成的局部场强变化引起的。隧道电流则是由于电子在氧化层内的隧穿过程引起的。
在正常工作条件下，FET的栅极和源极之间施加了一个正偏压，从而使得氧化层内的电场强度增加。如果电场强度过大，就会导致氧化层中的氧原子被电离，从而产生空穴和电子。这些空穴和电子在氧化层中移动，从而导致电荷注入。
其中，C是氧化层的电容，q是电子电荷，$V_{gs}$是栅极源极之间的电压，$V_t$是栅极阈值电压，$t_{ox}$是氧化层的厚度。这个公式表明，氧化层中的电荷密度与氧化层的厚度、栅极源极之间的电压和栅极阈值电压有关。
氧化层电荷积累和漏电流
在FET中，氧化层中的电荷积累会导致漏电流的增加。当氧化层中的电荷密度超过一定阈值时，就会引起漏电流的急剧增加。这个阈值与氧化层的厚度、材料、电场强度等因素有关。
氧化层中的电荷积累可以通过氧化层中的空穴和电子密度来描述。当栅极和源极之间施加电压时，氧化层中会出现一个电场。在这个电场作用下，空穴和电子会在氧化层中移动，从而导致电荷积累。当电荷积累超过一定阈值时，就会引起漏电流的增加。
漏电流的增加与氧化层中的空穴和电子密度有关。当电场强度足够大时，针对氧化层电场引起的负电容场效应晶体管（FEDC）可靠性问题，目前研究主要集中在两个方面：一是对氧化层电场的研究，包括氧化层材料的改进和优化，二是对FEDC的可靠性测试和分析。以下将分别从这两个方面进行阐述。
一、氧化层电场的研究
在FEDC中，氧化层是非常重要的组成部分，它不仅可以提供高质量的电介质，还可以控制晶体管的特性。然而，氧化层的存在也会引起负电容效应，特别是在工作温度较高的情况下，氧化层电场会进一步加剧，从而引起FEDC的可靠性问题。
为了解决氧化层电场引起的可靠性问题，许多研究者已经提出了一系列的方法。其中，最常用的方法是采用高介电常数的氧化层材料，如HfO2、ZrO2、Al2O3等。这些材料具有更高的介电常数，可以降低氧化层电场，从而提高FEDC的可靠性。
二、FEDC的可靠性测试和分析
除了研究氧化层材料外，对FEDC的可靠性测试和分析也是非常重要的。目前，主要的测试方法包括时间漂移测试、热应力测试、温度循环测试、直流偏置老化测试等。这些测试可以评估FEDC的长期可靠性，揭示FEDC在不同环境下的特性变化和失效机制。
在测试结果的分析方面，研究者主要关注氧化层电场对FEDC特性的影响。通常情况下，氧化层电场会引起漏电流的增加，从而导致晶体管的阈值电压发生变化。此外，氧化层电场还会引起电子的漂移和本征缺陷的形成，进一步加剧了晶体管的退化和失效。
笔者观点：
研究负电容场效应晶体管关于氧化层电场的可靠性是一个重要的课题，需要采用多种手段和方法来解决。未来的研究应该集中于设计新的结构和材料，以及开发新的技术来减少氧化层中的电场强度，从而提高晶体管的可靠性和性能。
