HfO2基铁电薄膜具有铁电性能优异、与现有集成电路制造工艺兼容和可微缩性强等特点,以其作为栅介质的铁电场效应晶体管和铁电负电容晶体管极具应用潜力,分别是下一代新型非易失性存储器和低功耗晶体管的有力候选者。然而,Hf O2基铁电薄膜具有多晶、多相共存的特点,晶粒类型、晶粒尺寸、晶向、晶界等微结构随机分布,这将使得小尺寸铁电晶体管器件之间的电学性能存在差异、难以实现高密度集成。另一方面,由于器件物理尚不明晰,已报道的铁电负电容晶体管性能、形态不一,给逻辑电路应用带来了巨大的挑战;此外,由于硅基半导体技术的限制,探索可同时满足低功耗、高性能、无回滞、且性能可匹敌甚至超越硅基铁电负电容晶体管的新技术也是研究的重点。基于此,本论文从锆掺杂氧化铪（HZO）铁电薄膜的原子层沉积工艺出发,探索晶粒特性调控方法;进一步阐明了铁电负电容晶体管的器件物理;最后研制出了比同等纳米节点硅基场效应晶体管（MOSFET）在漏端电压(Vds)更低下驱动电流和跨导更优异的碳纳米管铁电负电容晶体管。主要创新性成果如下:第一,基于原子层沉积法,保持HZO薄膜厚度相同的前提下,研究了Hf O2/Zr O2脉冲循环周期单元分别为1/1层、5/5层、10/10层以及15/15层对HZO铁电薄膜晶粒尺寸和分布的调控,在其中5/5的沉积条件下获得了铁电性增强、晶粒细化的HZO薄膜。进一步将HZO铁电薄膜的厚度微缩至～2 nm,表明该晶粒特性调控方法是有效的。（1）HfO2/Zr O2脉冲循环周期单元为5/5的HZO薄膜的平均晶粒尺寸更小,且尺寸分布的均一性更优。该结果表明Hf O2/Zr O2脉冲循环周期单元的优化可调控薄膜的晶粒尺寸以及均一性分布。（2）HfO2/Zr O2脉冲循环周期为5/5的HZO薄膜具有更优异的铁电性,剩余极化强度2Pr可增强至41μC/cm~2,约为其他条件制备的HZO薄膜的2倍。（3）将HZO薄膜厚度缩微至～2 nm,Hf O2/Zr O2脉冲循环周期单元为5/5层的HZO同样展现最小的晶粒尺寸9.3 nm以及最小的分布标准差2.6,单点的PFM测试同样表明该方法对超薄HZO薄膜的铁电性能仍具有一定的改善效果。其可能的调控机理为:合适厚度的Zr O2层作为晶核调控层,使最终晶粒长大更均一。而合适厚度的Hf O2层用于抑制晶核尺寸,使最终晶粒尺寸更小。第二,分别以单壁单根碳纳米管和低密度碳纳米管薄膜为沟道,制备了不同厚度的HZO栅介质以及HZO/Al2O3栅堆叠结构的负电容晶体管,分别探索了栅电容匹配、缺陷电容以及铁电多畴特性对负电容晶体管的性能影响,提炼了理想负电容器件的核心设计要求,并分析了负电容晶体管用于逻辑电路的可行性。（1）对于沟道缺陷态可忽略的器件而言,当铁电层电容(||)大于MOS电容()时,器件呈现无回滞工作,且||越接近,栅控放大因子越大。而当||小于时,铁电出现畴翻转,即出现与存储特性一致的铁电回滞。（2）对比富含缺陷态的碳纳米管薄膜以及缺陷态可忽略的单壁单根碳纳米管负电容晶体管发现,尽管缺陷电容可用于增大负电容匹配因子,但由于正反扫过程中缺陷态导致的电荷捕获和释放过程不对称,因此器件出现明显回滞,且稳定性较差。抑制缺陷电容是设计稳定负电容晶体管的重要前提条件。（3）利用准一维单根碳纳米管可实现沟道区域趋于铁电单畴调控的独特优势,发现铁电多畴特性会影响器件的开态电流和跨导稳定性,而铁电单畴调控是负电容晶体管的优化方向。第三,分析了碳纳米管在低功耗器件中的显著优势,以HZO为铁电层、碳纳米管为沟道材料构建了负电容晶体管,器件稳定无回滞且亚阈值摆幅小于60m V/dec。此外,在Vds=-0.3 V下实现了比硅基Vds=-0.8 V更优异的归一化电流以及跨导,验证了基于HZO铁电栅和驱动能力强的碳纳米管负电容晶体管在超低功耗、高性能集成电路中的巨大应用潜力。（1）理论推导了碳纳米管、硅、硫化钼、黑磷等半导体材料在超薄栅介质下的栅控能力对比,结合半导体材料的弹道系数、迁移率、量子电容、载流子有效质量等参数,分析了碳纳米管结合HZO铁电层构建负电容晶体管的意义。（2）通过合适的电容匹配和器件结构设计可同时实现稳定、无回滞、且亚阈值摆幅小于60 m V/dec的负电容晶体管。相比基于其他半导体材料的负电容晶体管,碳纳米管和HZO结合的负电容晶体管展现了更优异的开态电流以及跨导。（3）栅长为200 nm和40 nm的HZO栅碳纳米管负电容晶体管在Vds=-0.3 V下归一化开态电流和跨导远大于Vds=-0.8 V的硅基22 nm以及14 nm节点的Fin FET器件。