加州大学伯克利团队与斯坦福大学团队合作，研发出厚1.8纳米的HZO（铪氧化物/锆氧化物）铁电层，利用负电容效应突破GaN高电子迁移晶体管的肖特基极限，提升开态电流同时抑制关态泄漏。该技术创新解决了绝缘层厚度与门控能力的矛盾，具备推广至更高频功率器件及其他宽禁带材料（如SiC、金刚石）的潜力。团队正寻求产业合作推动实际应用。

关键词：负电容, GaN高电子迁移率晶体管, 铁电材料

负电容效应打破传统权衡，展现宽禁带器件新可能

美国加州的研究人员表示，将一种具有“负电容”特性的电子材料引入高功率氮化镓（GaN）晶体管中，有助于打破其现有性能限制。该成果近日发表于《Science》，实验结果表明，负电容技术能够绕过晶体管在开态性能与关态控制之间长期存在的物理权衡。研究团队指出，这一发现不仅意味着该技术在硅器件之外也具备潜力，其适用范围可能远超此前设想。

目前，基于GaN的电子器件已广泛应用于5G基站和手机充电器等紧凑型电源设备中。然而，若要推动其向更高频率与更大功率方向演进，工程设计常常面临性能取舍。在GaN射频功率放大器中，常用的高电子迁移率晶体管（HEMT）结构通常需要引入绝缘介质以降低关态功耗，但这也会限制通态电流，从而影响整体性能。

为在能效与开关速度之间寻求平衡，GaN HEMT采用了在GaN/氮化铝镓层结构上施加金属肖特基栅的设计。当栅极电压加载后，器件内部会形成二维电子气。这些电子具有极高的迁移率，有助于晶体管快速导通，但也容易朝栅极方向移动并产生泄漏。为抑制这种泄漏，工程上通常在栅极顶部覆盖一层介质层。然而，这一介质层也会拉大栅极与二维电子气之间的距离，削弱电场调控能力，从而限制器件性能。栅极控制能力与器件厚度之间的这一反比关系，被研究人员称为肖特基极限（Schottky limit）。

“通过加入绝缘层来提升器件电流非常有价值，而这在没有负电容的情况下几乎不可能实现。”

——加州大学圣塔芭芭拉分校 Umesh Mishra 教授

在此次研究中，加州大学伯克利分校的电气工程师 Sayeef Salahuddin、Asir Intisar Khan 与 Urmita Sikderan 与斯坦福大学的合作团队，在一类带有肖特基栅的GaN器件上测试了一种特殊的涂层材料。这种材料由一层氧化铪（HfO₂）与一层极薄的氧化锆（ZrO₂）叠加组成，总厚度仅为1.8纳米，命名为 HZO，被设计为具备负电容（negative capacitance）特性。

HZO属于铁电材料（ferroelectric），其晶体结构能够在无外加电压的条件下维持内部电场，这一特性在传统介质材料中并不存在。当器件加载电压时，HZO内部的内建电场方向与外加电场相反，从而产生一种反常效应：电压降低时，其储存电荷反而增加。这种负电容响应可有效增强栅极的调控能力，使二维电子气的电荷聚集更充分，从而提升开态电流。同时，HZO本身的厚度也有助于压低关态泄漏电流，进一步改善能效。

“通常来说，增加材料厚度会削弱栅控能力，”

“但 HZO 打破了这一传统规律——这是以往不可实现的。”

------------------------Salahuddin 指出，

加州大学圣塔芭芭拉分校的 GaN 器件专家 Umesh Mishra 虽未参与该研究，但高度评价其技术价值：“在 GaN 高电子迁移率晶体管中，若能通过加绝缘层同时提升通态电流并抑制泄漏，这是极其宝贵的特性。在没有负电容的情况下，这是无法实现的。”

杜克大学的电气工程师 Aaron Franklin 也表示：“泄漏电流是这类晶体管中众所周知的挑战。将创新的铁电材料引入栅极结构以应对该问题，无疑具有巨大潜力。这是一次令人振奋且颇具创意的突破。”

负电容效应的拓展可能

Salahuddin 表示，其团队正在寻求与产业界展开合作，在更先进的 GaN 射频晶体管中验证负电容效应的实用性。“我们在科学层面上已突破一个关键瓶颈，”他说，“下一步的关键在于，这一突破能否在实验室之外也发挥作用。”

Mishra 补充指出，目前论文所展示的器件尺寸仍相对较大。他表示：“如果这项技术能够在高度微缩的器件中得到应用，将真正展现其价值。”在他看来，这是一项“迈出的重要第一步”。

据介绍，Salahuddin 自 2007 年起便致力于在硅基晶体管中探索负电容现象。Mishra 透露，在近二十年的研究过程中，Salahuddin 团队几乎在每一次学术会议上都曾遭遇质疑。但如今，他们已在物理机制层面建立起扎实证据，而此次在 GaN 平台上的研究进一步表明，负电容技术有望助力功率电子与通信器件实现更高性能目标。伯克利团队也希望将这一效应拓展至包括金刚石、碳化硅在内的其他宽禁带半导体材料中。

参考阅读

1. Science：负电容克服了GaN高电子迁移率晶体管中的肖特基栅极限制
2. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx6955;
3. Nature:铁电电容器中的负电容
4. https://www.nature.com/articles/nmat4148

来源：三代半食堂

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