随着摩尔定律的发展，集成电路的尺寸越来越小，器件性能逐渐提升，系统的静态功耗凸显并已成为目前亟待克服的问题。对于传统CMOS器件，阻碍其功耗降低的关键因素是器件亚阈值摆幅受热力学限制，即在室温下亚阈值摆幅最小值为60mV dec-1，也称为玻尔兹曼限制。与此同时，铁电体的集成化主要是将铁电薄膜材料和半导体材料集成在一起组成具有某一或者某些特定功能的器件，其广泛应用于铁电存储器件、光电子器件、超声波与声表面波器件、红外探测与成像器件中。目前铁电薄膜结晶温度高，与标准 CMOS 后道工艺的兼容性还存在一些问题，若工艺线的特征尺寸再降低的话，那么对其兼容性就提出了更高的要求。
为了解决这一难题，近日复旦大学微电子学院博士生柴晓杰和项目研究员江钧博士，结合前阶段铁电存储器中高导电性畴壁形成的无损擦除的研究成果，在铌酸锂（LiNbO3）单晶上首次实现非易失性的全铁电场效应管的功能，相关成果以《非易失性全铁电场效应管》（Nonvolatile ferroelectric field-effect transistors）为题发表在《自然通讯》(Nature Communications)上。该项工作博士生柴晓杰和项目研究员江钧博士为共同一作。
该项工作创新性的利用了传统的掺杂5%Mg的铌酸锂单晶，通过在栅/源电极施加脉冲电压控制铁电畴的快速反转，从而实现与周边不反转的铁电畴形成可重复定向的非挥发导电畴壁通道。通过以上操作，实现了漏-栅电极、源-漏电极的导电通道互补的建立和擦除，类似一个单刀双掷开关。这种无结的场效应晶体管具有极低的漏电电流、超快的操作速度、导通电流可达~110 μA μm−1、亚阈值摆幅接近为零等优点，同时为未来铁电体其他压电和热电器件等和铁电逻辑电路的同质集成化提供了一种可能。
图1 全铁电场效应管的工作原理