近日，第66届电气电子工程师学会(IEEE)国际电子器件会议(International Electron Devices Meeting，IEDM)在线举行，山东大学信息科学与工程学院陈杰智教授课题组的两篇研究论文《Deep Insights into the Failure Mechanisms in Field-cycled Ferroelectric Hf0.5Zr0.5O2 Thin Film: TDDB Characterizations and First-Principles Calculations》（2018级博士生魏巍与2019级硕士生张维强为共同第一作者）和《Cold Source Engineering towards Sub-60mV/dec p-Type Field-effect-transistors (pFETs): Materials, Structures, and Doping Optimizations》(2019级博士生汪倩文为第一作者)在大会上发表，这也是山东大学第三年度以第一作者和通讯作者单位在IEDM大会发表研究论文。
在大规模集成电路发展到后摩尔时代的节点涌现出许多新型材料和新型器件，如何设计与现有CMOS工艺相兼容的材料与器件并把握其性能及可靠性物理机制依旧是后摩尔时代技术发展的核心关键问题，以上两篇研究论文涉及新型铁电存储器可靠性机理研究和低功耗逻辑器件材料设计等多个交叉学术前沿领域，详细介绍如下：
新型铪基铁电材料的微缩化特性与其CMOS工艺相兼容的特点使铪基铁电存储器（FRAM）适于后摩尔时代的低功耗嵌入式应用，也使其成为学术界和工业界共同关心的研究热点。然而，铪锆氧(HZO)铁电薄膜过大的矫顽场导致其耐久性较差，器件失效物理机理也尚未清晰。针对该关键问题，研究团队基于制备的铪锆氧铁电存储器进行了一系列高精度可靠性测试分析，详细研究了存储单元唤醒、疲劳和缺陷浓度的退火温度相关性以及铁电器件的失效过程，展示了三种主要失效模式；其次，结合TDDB绝缘膜可靠性测试方案和理论计算研究了铪锆氧铁电材料的缺陷电流和缺陷生成机制，发现其微观物理过程与薄膜中非晶区域以及晶界处缺陷移动的强相关特性。该研究工作系统分析了结晶度、缺陷浓度以及晶粒尺寸对新型铪基铁电器件特性的影响，对进一步制备高可靠性铁电器件有着重要的指导意义。
在低功耗逻辑器件研究领域，如何通过新原理、新材料、新结构来解决传统晶体管器件的短沟道效应以降低器件功耗是CMOS技术发展的关键问题之一。作为实现陡阈值摆幅场效应晶体管（FET）的有效途径之一，冷源晶体管(CSFET)的概念自2018年提出后得到了广泛关注。研究团队围绕着冷源器件工作原理，采用第一性原理计算系统研究了P型冷源场效应晶体管(pCSFET)的源极材料设计、器件结构优化、以及掺杂浓度调控等关键问题，通过合理设计源极态密度分布以抑制“热尾”对载流子注入的影响，并在宽工作区域内突破60 mV/dec的亚阈值摆幅限制。研究发现，石墨烯作为冷源构建pCSFET在保证超陡阈值摆幅(26mV/dec)的同时实现了~1E8的高电流开关比，而采用N型掺杂硅作为冷源亦可实现33mV/dec的亚阈值摆幅。该研究工作提出了pCSFET材料设计方案和器件优化方案，从理论上展示了利用冷源器件构建低功耗CMOS电路的巨大应用潜力。
陈杰智，山东大学信息科学与工程学院教授，博士生导师，IEEE高级会员，任IEEE IRPS国际可靠性物理会议内存可靠性分会主席，IEEE EDTM 电子器件技术与制造会议半导体器件分会共主席，IEEE IMW国际内存会议科学技术委员，以及IEEE SNW硅纳米电子学会议技术委员。目前其课题组主要研究领域包括非挥发性存储器、低功耗纳米器件、存算一体架构、以及芯片安全设计。上述研究工作得到了国家科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金重大项目以及面上项目的资助。
背景介绍：IEDM始于1955年，是全球报道半导体及电子器件领域最新的科技、设计、制造、物理及建模的主要论坛，也是世界半导体产业界各知名企业和学术机构报告其最新研究成果和技术突破的主要窗口和平台。IEDM影响力巨大，与IEEE Symposium on VLSI Technology（即“集成电路技术国际会议”）并列为微电子器件领域中权威性最高的两个顶级会议，每年Intel、IBM、Samsung和TSMC等国际知名半导体公司都在IEDM大会上发布各自最新研究进展。
