铁电体助力突破晶体管极限

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加利福尼亚州的科学家表示，整合一种具有 “负电容” 这一奇特特性的电子材料，有助于高功率氮化镓晶体管突破性能瓶颈。发表在《科学》杂志上的研究表明，负电容有助于避开一种物理限制 —— 这种限制通常会迫使晶体管在 “导通” 状态和 “关断” 状态的性能之间做出权衡（https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx6955）。该项目的研究人员称，这表明在硅材料中已被广泛研究的负电容，其应用范围可能比此前认为的更广泛。

基于氮化镓的电子设备为5G基站和手机的小型电源适配器供电。当试图将这项技术推向更高频率和更高功率的运行场景时，工程师们面临着性能权衡的问题。在用于放大无线电信号的氮化镓器件 —— 即高电子迁移率晶体管（HEMT）中，添加一层名为电介质的绝缘层可以防止它们在关断状态下浪费能量，但这也会抑制它们在导通状态下的电流，从而影响性能。

为了最大限度提高能效和开关速度，高电子迁移率晶体管（HEMT）采用了一种名为肖特基栅极的金属部件，它直接设置在由氮化镓（GaN）和铝镓氮（aluminum gallium nitride）层构成的结构顶部。当肖特基栅极施加电压时，晶体管内部会形成二维电子云。这些电子移动迅速，有助于晶体管快速开关，但它们也容易向栅极移动并发生泄漏。

为防止电子逃逸，器件可以覆盖一层电介质。但这一额外的层会增加栅极与电子云之间的距离，而这个距离会降低栅极对晶体管的控制能力，进而影响性能。这种栅极控制程度与器件厚度之间的反比关系被称为肖特基极限。

“Getting more current from the device by adding an insulator is extremely valuable. This cannot be achieved in other cases without negative capacitance.”

—Umesh Mishra, University of California, Santa Barbara

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，在带有肖特基栅极的氮化镓器件上测试了一种特殊涂层，以替代传统的电介质。这种涂层由一层氧化铪构成，其表面还覆盖着一层薄薄的氧化锆，整体呈 “霜化” 状。这种厚度为1.8纳米的双层材料简称为HZO，经设计可呈现出负电容特性。

HZO是一种铁电体。也就是说，它的晶体结构使其即使在没有外部电压施加的情况下，也能维持内部电场（传统电介质不具备这种固有电场）。当向晶体管施加电压时，HZO的固有电场会与之对抗。在晶体管中，这会产生一种反直觉的效应：电压降低会导致HZO中存储的电荷增加。这种负电容响应能有效增强栅极的控制能力，帮助晶体管的二维电子云积累电荷，从而提高导通状态下的电流。同时，HZO电介质的厚度在器件关断时能抑制漏电流，节省能量。

“当你加入另一种材料时，厚度本应增加，栅极控制能力本应下降，” Salahuddin。然而，HZO电介质似乎突破了肖特基极限。“这在传统情况下是无法实现的，” 他表示。

“通过添加绝缘体来使器件获得更大电流，这一成果极具价值，” 加州大学圣巴巴拉分校的氮化镓高电子迁移率晶体管专家Umesh Mishra表示（他未参与这项研究），“若非借助负电容，在其他情况下根本无法实现这一点。”

漏电流是这类晶体管中一个众所周知的问题，“因此，将创新的铁电体层整合到栅极堆叠结构中以解决这一问题，显然具有广阔前景，” 北卡罗来纳州达勒姆市杜克大学的电气工程师Aaron Franklin说，“这无疑是一项令人振奋且富有创造性的进展。”

负电容的进一步探索

Salahuddin表示，该团队目前正在寻求与行业合作，以在更先进的氮化镓射频晶体管中测试负电容效应。“我们在科学层面的发现打破了一道壁垒，” 他说。既然他们已能在实验室条件下突破氮化镓晶体管的肖特基极限，接下来就需要测试这一成果在实际应用中是否可行。

Mishra对此表示认同，他指出论文中描述的器件相对较大。“如果能在高度微型化的器件中看到这一成果，那将会非常棒，”Mishra说，“这才是它真正大放异彩的地方。” 他认为这项研究 “是出色的第一步”。

Salahuddin自2007年起就一直在研究硅晶体管中的负电容现象（https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/nl071804g）。Mishra表示，在这段时间的大部分时候，萨拉赫丁每次在学术会议上做报告后都会遭到激烈的质疑。近20年后，萨拉赫丁的团队为负电容的物理原理提供了有力佐证，而这项关于氮化镓的研究表明，负电容未来可能有助于推动电力电子设备和电信设备向更高功率发展。伯克利的研究团队还希望在其他半导体材料（包括金刚石、碳化硅等）制成的晶体管中测试这种效应。

内容来源：IEEE电气电子工程师学会

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