鐵電體助力突破電晶體極限

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加利福尼亞州的科學家表示，整合一種具有 “負電容” 這一奇特特性的電子材料，有助於高功率氮化鎵電晶體突破效能瓶頸。發表在《科學》雜誌上的研究表明，負電容有助於避開一種物理限制 —— 這種限制通常會迫使電晶體在 “導通” 狀態和 “關斷” 狀態的效能之間做出權衡（https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx6955）。該專案的研究人員稱，這表明在矽材料中已被廣泛研究的負電容，其應用範圍可能比此前認為的更廣泛。

基於氮化鎵的電子裝置為5G基站和手機的小型電源介面卡供電。當試圖將這項技術推向更高頻率和更高功率的執行場景時，工程師們面臨著效能權衡的問題。在用於放大無線電訊號的氮化鎵器件 —— 即高電子遷移率電晶體（HEMT）中，新增一層名為電介質的絕緣層可以防止它們在關斷狀態下浪費能量，但這也會抑制它們在導通狀態下的電流，從而影響效能。

為了最大限度提高能效和開關速度，高電子遷移率電晶體（HEMT）採用了一種名為肖特基柵極的金屬部件，它直接設定在由氮化鎵（GaN）和鋁鎵氮（aluminum gallium nitride）層構成的結構頂部。當肖特基柵極施加電壓時，電晶體內部會形成二維電子雲。這些電子移動迅速，有助於電晶體快速開關，但它們也容易向柵極移動併發生洩漏。

為防止電子逃逸，器件可以覆蓋一層電介質。但這一額外的層會增加柵極與電子雲之間的距離，而這個距離會降低柵極對電晶體的控制能力，進而影響效能。這種柵極控制程度與器件厚度之間的反比關係被稱為肖特基極限。

“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

加州大學伯克利分校的電氣工程師Sayeef Salahuddin、Asir Intisar Khan和Urmita Sikderan與斯坦福大學的研究人員合作，在帶有肖特基柵極的氮化鎵器件上測試了一種特殊塗層，以替代傳統的電介質。這種塗層由一層氧化鉿構成，其表面還覆蓋著一層薄薄的氧化鋯，整體呈 “霜化” 狀。這種厚度為1.8奈米的雙層材料簡稱為HZO，經設計可呈現出負電容特性。

HZO是一種鐵電體。也就是說，它的晶體結構使其即使在沒有外部電壓施加的情況下，也能維持內部電場（傳統電介質不具備這種固有電場）。當向電晶體施加電壓時，HZO的固有電場會與之對抗。在電晶體中，這會產生一種反直覺的效應：電壓降低會導致HZO中儲存的電荷增加。這種負電容響應能有效增強柵極的控制能力，幫助電晶體的二維電子雲積累電荷，從而提高導通狀態下的電流。同時，HZO電介質的厚度在器件關斷時能抑制漏電流，節省能量。

“當你加入另一種材料時，厚度本應增加，柵極控制能力本應下降，” Salahuddin。然而，HZO電介質似乎突破了肖特基極限。“這在傳統情況下是無法實現的，” 他表示。

“透過新增絕緣體來使器件獲得更大電流，這一成果極具價值，” 加州大學聖巴巴拉分校的氮化鎵高電子遷移率電晶體專家Umesh Mishra表示（他未參與這項研究），“若非藉助負電容，在其他情況下根本無法實現這一點。”

漏電流是這類電晶體中一個眾所周知的問題，“因此，將創新的鐵電體層整合到柵極堆疊結構中以解決這一問題，顯然具有廣闊前景，” 北卡羅來納州達勒姆市杜克大學的電氣工程師Aaron Franklin說，“這無疑是一項令人振奮且富有創造性的進展。”

負電容的進一步探索

Salahuddin表示，該團隊目前正在尋求與行業合作，以在更先進的氮化鎵射頻電晶體中測試負電容效應。“我們在科學層面的發現打破了一道壁壘，” 他說。既然他們已能在實驗室條件下突破氮化鎵電晶體的肖特基極限，接下來就需要測試這一成果在實際應用中是否可行。

Mishra對此表示認同，他指出論文中描述的器件相對較大。“如果能在高度微型化的器件中看到這一成果，那將會非常棒，”Mishra說，“這才是它真正大放異彩的地方。” 他認為這項研究 “是出色的第一步”。

Salahuddin自2007年起就一直在研究矽電晶體中的負電容現象（https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/nl071804g）。Mishra表示，在這段時間的大部分時候，薩拉赫丁每次在學術會議上做報告後都會遭到激烈的質疑。近20年後，薩拉赫丁的團隊為負電容的物理原理提供了有力佐證，而這項關於氮化鎵的研究表明，負電容未來可能有助於推動電力電子裝置和電信裝置向更高功率發展。伯克利的研究團隊還希望在其他半導體材料（包括金剛石、碳化矽等）製成的電晶體中測試這種效應。