这项技术将助力氮化镓突破

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来源：内容编译自ieee。

加州的科学家表示，集成一种具有奇特特性（称为负电容）的电子材料，可以帮助高功率氮化镓晶体管突破性能障碍。发表在《科学》杂志上的一项研究表明，负电容有助于规避通常要求晶体管在“开启”状态和“关闭”状态之间权衡的物理限制。该项目的研究人员表示，这表明，在硅中已被广泛研究的负电容，其应用范围可能比以往预想的更为广泛。

基于GaN的电子设备为5G基站和手机的紧凑型电源适配器供电。当试图推动该技术实现更高频率和更高功率的运行时，工程师们面临着诸多权衡。在用于放大无线电信号的GaN器件（称为高电子迁移率晶体管（HEMT））中，添加一层称为电介质的绝缘层可以防止它们在关闭时浪费能量，但也会抑制它们在开启时流过的电流，从而影响其性能。

为了最大限度地提高能源效率和开关速度，HEMT 使用一种称为肖特基栅极的金属组件，它直接位于由 GaN 和氮化铝镓层组成的结构的顶部。当通过肖特基栅极施加电压时，晶体管内部会形成二维电子云。这些电子很活泼，有助于晶体管快速开关，但它们也倾向于向上移动到栅极并泄漏出去。为了防止它们逃逸，可以用电介质覆盖该器件。但是这个额外的层会增加栅极和电子云之间的距离。而这个距离会降低栅极控制晶体管的能力，从而影响性能。栅极控制程度和器件厚度之间的这种反比关系称为肖特基极限。

加州大学伯克利分校的电气工程师Sayeef Salahuddin、Asir Intisar Khan和Urmita Sikderan与斯坦福大学的研究人员合作，测试了一种在带有肖特基栅极的 GaN 器件上的特殊涂层，以取代传统的电介质。该涂层由一层氧化铪和一层薄薄的氧化锆构成。这种 1.8 纳米厚的双层材料简称为 HZO，经过特殊设计，可呈现负电容。

HZO 是一种铁电材料。也就是说，它具有一种晶体结构，即使在没有外部电压施加的情况下，也能保持内部电场。（传统电介质没有这种固有电场。）当向晶体管施加电压时，HZO 的固有电场会与之相反。在晶体管中，这会导致一种违反直觉的效应：电压降低会导致 HZO 中存储的电荷增加。这种负电容响应有效地放大了栅极控制，帮助晶体管的二维电子云积累电荷并提高导通电流。同时，HZO 电介质的厚度可以抑制器件关闭时的漏电流，从而节省能源。

“当你加入另一种材料时，厚度应该会增加，而栅极控制应该会降低，”Salahuddin说道。然而，HZO电介质似乎打破了肖特基极限。“这在传统上是无法实现的，”他说道。

加州大学圣巴巴拉分校GaN高电子迁移率晶体管专家乌梅什·米什拉（Umesh Mishra）表示：“通过添加绝缘体来从器件中获取更多电流非常有价值，如果没有负电容，其他情况下是无法实现的。”他并未参与这项研究。

漏电流是这类晶体管中众所周知的问题，“因此，将创新的铁电层集成到栅极堆栈中来解决这个问题显然很有前景，”北卡罗来纳州达勒姆市杜克大学的电气工程师Aaron Franklin说， “这无疑是一个令人兴奋且富有创造性的进步。”

进一步探索负电容

Salahuddin 表示，该团队目前正在寻求行业合作，以测试更先进的 GaN 射频晶体管中的负电容效应。“我们所观察到的现象在科学上突破了一个障碍，”他说道。他表示，既然他们能够在实验室条件下突破 GaN 晶体管的肖特基极限，就需要测试它在现实世界中是否有效。

Mishra 对此表示赞同，并指出论文中描述的设备相对较大。“如果能在高度可扩展的设备中看到这一点，那将非常棒，”Mishra 说。“这才是它真正闪耀的地方。” 他说这项研究是“伟大的第一步”。

Salahuddin自 2007 年以来一直在研究硅晶体管中的负电容。Mishra 说，在那段时间的大部分时间里，Salahuddin 每次会议演讲后都会受到热烈的提问。近 20 年后，Salahuddin 的团队为负电容的物理原理提供了强有力的论据，而 GaN 的研究工作表明，它未来可能有助于推动电力电子和电信设备向更高的功率发展，Mishra 说道。伯克利团队还希望在其他种类的半导体晶体管中测试这种效应，包括金刚石、碳化硅和其他材料。

https://spectrum.ieee.org/negative-capacitance-schottky-limit

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