Au cours des cinquante dernières années, les progrès de la miniaturisation ont permis de confirmer plus ou moins la pertinence de la prédiction de Moore à propos de la densité des composants des circuits intégrés. L'un des obstacles à la miniaturisation des transistors MOSFET réside dans une propriété fondamentale, appelée distribution de Boltzmann des électrons — parfois nommée aussi tyrannie de Boltzmann. Cette propriété fixe à 60 mV/décade (à température ambiante) la limite thermo-ionique minimale théorique d’une caractéristique de pente sous le seuil (SS) d'un transistor MOSFET. Autrement dit, vous ne pouvez pas réduire indéfiniment la tension de fonctionnement pour diminuer la consommation d’énergie. Étant donné le nombre considérable de transistors MOSFET constituant une puce électronique, cette limite fondamentale est une question plutôt cruciale.

Dix ans plus tard

En 2008, a été suggérée l’idée que l’introduction d'un film mince de matériau ferroélectrique (FE) dans l'oxyde de grille existant d'un transistor MOSFET pourrait modifier fondamentalement les caractéristiques du composant et permettre une disparition complète du cycle d'hystérésis ferroélectrique (ΔV). La tension interne sur l'interface FE-oxyde pourrait être supérieure à la tension de grille et, dans ce cas, la caractéristique SS passerait au-dessous de la limite de Boltzmann (60 mV/déc). Cette structure inédite, baptisée NC-FET (transistor à effet de champ à capacité négative), permettrait un fonctionnement à une tension d'alimentation plus basse, et donc avec une consommation d'énergie réduite. La tension de seuil augmenterait au final proportionnellement à la tension d’alimentation, ce qui, par ailleurs, facilite le changement d’échelle du transistor.
Depuis lors, de nombreuses équipes de recherche ont consacré du temps au développement de ce modèle prometteur de transistor à effet de champ. Constatant la grande dispersion des résultats de ces recherches, le professeur Peide Ye de l’université Purdue considère qu'il est temps de coordonner ces actions et d'analyser de manière complète les données existantes.

Avec un certain nombre de ses collègues, il a donc publié un article intitulé « A critical review of recent progress on negative capacitance field-effect transistors » sur le site de la revue Applied Physics Letters, disponible en accès libre. Il y pose plusieurs questions essentielles :
  • Un condensateur peut-il être négatif ?
  • Étant donné la dynamique du domaine, un condensateur ou un transistor à effet de champ basé sur un matériau ferroélectrique peut-il posséder une capacité négative ?
    Les expériences publiées sur les états transitoires et en régime permanent sont-elles concluantes ?
  • Même s'il est possible de stabiliser un matériau ferroélectrique-diélectrique dans un état de capacité négative, les dimensions sont-elles adaptées pour des transistors relevant d'une technologie inférieure à 5 nm ?
La vitesse de commutation serait-elle suffisante ?
Compte tenu des aspects physiques spécifiques à la grille, cette technologie serait-elle fiable et exempte, entre autres, de problèmes de rupture diélectrique de la grille, d’instabilité de la température de polarisation négative et de dégradation par porteurs chauds ?