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由于晶体管无法处理产生的热量，场效应晶体管 (FET) 的尺寸可扩展性已达到玻尔兹曼暴政（Boltzmann tyranny）极限。将铁电负电容 (NC) 集成到场效应晶体管 (FET) 中有望打破这一基本功耗限制。然而，在非瞬态非迟滞状态下实现稳定的静态负电容仍然是一项艰巨的任务，因为关于稳定负电容的起源和机制的清晰、自洽的物理图景还未建立。铁电电容器中 NC 的出现源于电容器能量 W（施加电荷Q的函数）的朗道双阱图景。W(Q) 在小Q 值处的向下曲率意味着向铁电电容器极板添加少量电荷，会引起非零极化并降低其能量。虽然多畴配置保留了NC，但畴形成可能会触发一些不希望出现的影响，不利于实现 NC FET。另一种方法是在铁电体和半导体之间引入中间电介质（绝缘）缓冲层，但是场的不均匀性在空间尺度上仍然存在 NC 电位放大效应。
来自法国皮卡第大学的Vinokur教授等，介绍并设计了金属铁电金属绝缘体半导体（MFMIS） FET 的工作机制，其中 NC 效应来自具有双畴的集成 MFM 电容器。他们展示了 MFMIS 架构不仅没有前述的风险，而且通过在 MFM 电容器上涂敷并联电介质，可以极大地改善 MFMIS FET 特性，并提供了使 NC FET 的介电参数能够完全可调的自由度。他们称这种涂层过的电容器为c-MFMIS FET。作者提出了铁电体中 NC 的基本机制，证明了由于极化畴的形成不可避免地出现了 NC，并进一步建立了基于畴结构的稳定可逆 NC FET 的实用设计。所设计的设备可调谐、可缩小到 2.5~5 nm 技术节点。其栅极的涂层-壳架构有望显著提高预期性能和实现特性的高度可调性，从而与先进的 FET 架构完美匹配，有助于缩小铁电负电容的概念与其在电子设备中实际应用之间的差距。该文近期发表于npj Computational Materials 8：52 (2022)，英文标题与摘要如下，点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。
The ferroelectric field-effect transistor with negative capacitance
I. Luk’yanchuk, A. Razumnaya, A. Sené, Y. Tikhonov & V. M. Vinokur
Integrating ferroelectric negative capacitance (NC) into the field-effect transistor (FET) promises to break fundamental limits of power dissipation known as Boltzmann tyranny. However, realizing the stable static negative capacitance in the non-transient non-hysteretic regime remains a daunting task. The problem stems from the lack of understanding of how the fundamental origin of the NC due to the emergence of the domain state can be put in use for implementing the NC FET. Here we put forth an ingenious design for the ferroelectric domain-based field-effect transistor with the stable reversible static negative capacitance. Using dielectric coating of the ferroelectric capacitor enables the tunability of the negative capacitance improving tremendously the performance of the field-effect transistors.
