负电容突破GaN晶体管性能极限

加州科学家发现，集成具有负电容特性的电子材料可帮助高功率氮化镓晶体管突破性能屏障。发表于《科学》的研究表明，负电容效应能够规避晶体管在"开启"状态与"关断"状态性能之间通常存在的物理极限权衡。

氮化镓电子器件广泛应用于5G基站和手机紧凑型电源适配器。当工程师试图推动该技术向更高频率和更高功率操作时，面临性能权衡问题。在用于放大射频信号的高电子迁移率晶体管（HEMT）中，添加称为电介质的绝缘层可防止器件在关断时浪费能量，但也会抑制导通时的电流流动，影响性能。

为最大化能效和开关速度，HEMT使用称为肖特基栅的金属组件，直接设置在氮化镓和铝镓氮分层结构之上。当肖特基栅施加电压时，晶体管内部会形成二维电子云。这些电子移动迅速，有助于晶体管快速切换，但也倾向于向栅极移动并泄漏。为防止电子逃逸，器件可覆盖电介质层，但该附加层增加了栅极与电子云之间的距离，削弱了栅极对晶体管的控制能力。这种栅控程度与器件厚度之间的反比关系称为肖特基极限。

某机构伯克利分校电气工程师与某机构研究人员合作，在具有肖特基栅的氮化镓器件上测试特殊涂层，替代传统电介质。该涂层由氧化铪层和超薄氧化锆顶层组成，这种1.8纳米厚的双层材料简称HZO，经设计可呈现负电容特性。

HZO是一种铁电材料，其晶体结构允许在无外部电压时保持内部电场（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，产生反直觉效应：电压降低导致HZO中存储电荷增加。这种负电容响应有效放大栅极控制，帮助晶体管二维电子云积累电荷，提升导通电流。同时，HZO电介质的厚度可抑制器件关断时的漏电流，节约能源。

某机构圣塔芭芭拉分校氮化镓高电子迁移率晶体管专家指出：“通过添加绝缘体从器件获得更多电流极具价值，若无负电容效应则无法实现。“某大学电气工程师认为，漏电流是此类晶体管的已知问题，“将创新铁电层集成到栅堆栈中应对该问题具有明确前景”。

研究团队正寻求行业合作，在更先进的氮化镓射频晶体管中测试负电容效应。目前论文中描述的器件尺寸较大，未来需在高度微型化的器件中验证该技术的实际效果。该团队还希望在金刚石、碳化硅等其他半导体材料制造的晶体管中测试该效应。