這項技術將助力氮化鎵突破

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來源：內容編譯自ieee。

加州的科學家表示，整合一種具有奇特特性（稱為負電容）的電子材料，可以幫助高功率氮化鎵電晶體突破效能障礙。發表在《科學》雜誌上的一項研究表明，負電容有助於規避通常要求電晶體在“開啟”狀態和“關閉”狀態之間權衡的物理限制。該專案的研究人員表示，這表明，在矽中已被廣泛研究的負電容，其應用範圍可能比以往預想的更為廣泛。

基於GaN的電子裝置為5G基站和手機的緊湊型電源介面卡供電。當試圖推動該技術實現更高頻率和更高功率的執行時，工程師們面臨著諸多權衡。在用於放大無線電訊號的GaN器件（稱為高電子遷移率電晶體（HEMT））中，新增一層稱為電介質的絕緣層可以防止它們在關閉時浪費能量，但也會抑制它們在開啟時流過的電流，從而影響其效能。

為了最大限度地提高能源效率和開關速度，HEMT 使用一種稱為肖特基柵極的金屬元件，它直接位於由 GaN 和氮化鋁鎵層組成的結構的頂部。當透過肖特基柵極施加電壓時，電晶體內部會形成二維電子雲。這些電子很活潑，有助於電晶體快速開關，但它們也傾向於向上移動到柵極並洩漏出去。為了防止它們逃逸，可以用電介質覆蓋該器件。但是這個額外的層會增加柵極和電子雲之間的距離。而這個距離會降低柵極控制電晶體的能力，從而影響效能。柵極控制程度和器件厚度之間的這種反比關係稱為肖特基極限。

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，測試了一種在帶有肖特基柵極的 GaN 器件上的特殊塗層，以取代傳統的電介質。該塗層由一層氧化鉿和一層薄薄的氧化鋯構成。這種 1.8 奈米厚的雙層材料簡稱為 HZO，經過特殊設計，可呈現負電容。

HZO 是一種鐵電材料。也就是說，它具有一種晶體結構，即使在沒有外部電壓施加的情況下，也能保持內部電場。（傳統電介質沒有這種固有電場。）當向電晶體施加電壓時，HZO 的固有電場會與之相反。在電晶體中，這會導致一種違反直覺的效應：電壓降低會導致 HZO 中儲存的電荷增加。這種負電容響應有效地放大了柵極控制，幫助電晶體的二維電子雲積累電荷並提高導通電流。同時，HZO 電介質的厚度可以抑制器件關閉時的漏電流，從而節省能源。

“當你加入另一種材料時，厚度應該會增加，而柵極控制應該會降低，”Salahuddin說道。然而，HZO電介質似乎打破了肖特基極限。“這在傳統上是無法實現的，”他說道。

加州大學聖巴巴拉分校GaN高電子遷移率電晶體專家烏梅什·米什拉（Umesh Mishra）表示：“透過新增絕緣體來從器件中獲取更多電流非常有價值，如果沒有負電容，其他情況下是無法實現的。”他並未參與這項研究。

漏電流是這類電晶體中眾所周知的問題，“因此，將創新的鐵電層整合到柵極堆疊中來解決這個問題顯然很有前景，”北卡羅來納州達勒姆市杜克大學的電氣工程師Aaron Franklin說， “這無疑是一個令人興奮且富有創造性的進步。”

進一步探索負電容

Salahuddin 表示，該團隊目前正在尋求行業合作，以測試更先進的 GaN 射頻電晶體中的負電容效應。“我們所觀察到的現象在科學上突破了一個障礙，”他說道。他表示，既然他們能夠在實驗室條件下突破 GaN 電晶體的肖特基極限，就需要測試它在現實世界中是否有效。

Mishra 對此表示贊同，並指出論文中描述的裝置相對較大。“如果能在高度可擴充套件的裝置中看到這一點，那將非常棒，”Mishra 說。“這才是它真正閃耀的地方。” 他說這項研究是“偉大的第一步”。

Salahuddin自 2007 年以來一直在研究矽電晶體中的負電容。Mishra 說，在那段時間的大部分時間裡，Salahuddin 每次會議演講後都會受到熱烈的提問。近 20 年後，Salahuddin 的團隊為負電容的物理原理提供了強有力的論據，而 GaN 的研究工作表明，它未來可能有助於推動電力電子和電信裝置向更高的功率發展，Mishra 說道。伯克利團隊還希望在其他種類的半導體電晶體中測試這種效應，包括金剛石、碳化矽和其他材料。

參考連結

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

*免責宣告：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支援，如果有任何異議，歡迎聯絡半導體行業觀察。

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