铁电材料助力突破晶体管极限

科学家发现，在氮化镓晶体管中集成一种具有“负电容”特性的铁电材料（HZO），可以突破其性能瓶颈。这种方法解决了晶体管在“开”态（高电流）和“关”态（低能耗）之间的传统性能取舍矛盾，即所谓的“肖特基极限”。通过放大栅极控制，该技术在提升晶体管开启时电流的同时，也抑制了其关闭时的能量泄漏，为开发更高能效、更快速度的功率电子设备开辟了新路径。

传统晶体管面临的瓶颈

氮化镓 (GaN) 晶体管是 5G 基站和紧凑型电源适配器的核心。但在追求更高频率和更大功率时，工程师会遇到一个棘手的权衡问题，即肖特基极限。

• 问题核心: 在晶体管关闭时，为了防止能量泄漏，需要增加一个绝缘层。
• 负面影响: 这个绝缘层会削弱栅极对晶体管的控制能力，从而抑制其在开启状态下的电流，影响性能。
• 结果: 工程师不得不在“关”态的节能和“开”态的性能之间做出妥协。

突破性的解决方案：负电容

加州大学伯克利分校的研究人员提出了一种创新的解决方案，他们使用了一种特殊的涂层材料来替代传统的绝缘层。

这种材料由氧化锆和氧化铪薄层构成（简称 HZO），其厚度仅为 1.8 纳米，并被设计成具有负电容特性。

加州大学圣巴巴拉分校的专家 Umesh Mishra 评论道：“通过增加一个绝缘体来从器件中获得更多电流是非常有价值的。在没有负电容的情况下，这是无法实现的。”

工作原理

HZO 是一种铁电材料，这意味着它自身就能维持一个内部电场，而传统绝缘体没有这个特性。这种内在特性带来了颠覆性的效果。

• 反直觉效应: 当外部电压施加到晶体管上时，HZO 的内部电场会与之对抗。这导致一个奇特的现象：电压的降低反而会引起 HZO 中存储电荷的增加。
• 放大控制: 这种“负电容”响应有效地放大了栅极的控制力，帮助晶体管在开启时积累更多电荷，从而大幅提升了“开”态电流。
• 兼顾节能: 同时，HZO 作为绝缘层的厚度又能有效抑制晶体管在“关”态时的电流泄漏，从而节省能源。

研究人员指出，通常情况下增加材料厚度会削弱栅极控制，但 HZO 似乎打破了这一常规，实现了看似不可能的目标。

未来展望与意义

这项在实验室条件下取得的成功，展示了负电容技术在硅材料之外的广阔应用前景。

• 明确前景: 专家认为，将创新的铁电层集成到栅极中来解决泄漏问题，具有“明确的前景”，是一项“激动人心且富有创造性的进步”。
• 后续步骤: 团队目前正寻求产业合作，以便在更先进的氮化镓射频晶体管中测试这一效应，并验证其在真实世界中的可行性。
• 未来探索: 研究人员还希望在其他类型的半导体（如金刚石、碳化硅等）晶体管中测试负电容效应。

专家认为，尽管目前测试的器件尺寸较大，但这已是“伟大的第一步”。如果这项技术能在高度微缩的器件中得到验证，其潜力将真正得以释放。