Сегнетоелектрика допомагає подолати обмеження транзисторів

Інтеграція електронного матеріалу, який демонструє дивну властивість, що називається негативною ємністю, може допомогти потужним транзисторам на основі нітриду галію подолати бар'єр продуктивності, стверджують вчені з Каліфорнії. Дослідження, опубліковане в Science, показує, що негативна ємність допомагає обійти фізичне обмеження, яке зазвичай вимагає компромісів між тим, наскільки добре транзистор працює у «ввімкненому» стані, і тим, наскільки добре він працює у «вимкненому» стані. Дослідники, що стоять за проєктом, кажуть, що це показує, що негативна ємність, яка була широко досліджена в кремнії, може мати ширше застосування, ніж вважалося раніше.


Електроніка на основі GaN живить базові станції 5G та компактні адаптери живлення для мобільних телефонів. Намагаючись просунути технологію до роботи на вищих частотах та з більшою потужністю, інженери стикаються з компромісами. У пристроях на основі GaN, що використовуються для посилення радіосигналів і називаються транзисторами з високою рухливістю електронів (HEMT), додавання ізоляційного шару запобігає втраті енергії у вимкненому стані, але також пригнічує струм, що протікає через них у ввімкненому стані, що знижує їхню продуктивність.

Для максимізації енергоефективності та швидкості перемикання в HEMT використовується металевий компонент, який називається затвором Шотткі, який встановлюється безпосередньо поверх структури, що складається з шарів GaN та нітриду алюмінію-галію. Коли на затвор Шотткі подається напруга, всередині транзистора утворюється двовимірна електронна хмара. Ці електрони швидкі та допомагають транзистору швидко перемикатися, але вони також мають тенденцію рухатися вгору до затвора та витікати назовні. Щоб запобігти їх витіканню, пристрій можна закрити діелектриком. Але цей додатковий шар збільшує відстань між затвором та електронною хмарою. І це зменшує здатність затвора керувати транзистором, що погіршує продуктивність. Ця зворотна залежність між ступенем керування затвором та товщиною пристрою називається лімітом Шотткі.

                                
Саїф Салахуддін (Sayeef Salahuddin), Асір Інтісар Хан (Asir Intisar Khan) та Урміта Сікдеран (Urmita Sikderan), інженери-електрики з Каліфорнійського університету в Берклі, співпрацювали з дослідниками зі Стенфордського університету, щоб випробувати спеціальне покриття на пристроях GaN з затворами Шотткі. Це покриття складається з шару оксиду гафнію, покритого тонким шаром оксиду цирконію. Двошаровий матеріал товщиною 1,8 нм називається HZO, і він розроблений для демонстрації негативної ємності.

HZO – це сегнетоелектрик. Тобто, він має кристалічну структуру, яка дозволяє йому підтримувати внутрішнє електричне поле навіть за відсутності зовнішньої напруги. Коли до транзистора прикладається напруга, власне електричне поле HZO протистоїть їй. У транзисторі це призводить до контрінтуїтивного ефекту: зменшення напруги викликає збільшення заряду, що зберігається в HZO. Ця негативна ємнісна реакція ефективно підсилює керування затвором, допомагаючи двовимірній електронній хмарі транзистора накопичувати заряд і збільшуючи струм ввімкненого стану. Водночас товщина діелектрика HZO пригнічує струм витоку, коли пристрій вимкнено, заощаджуючи енергію.

«Коли ви додаєте інший матеріал, товщина повинна збільшуватися, а керування затвором має зменшуватися», – каже Салахуддін. Однак, здається, діелектрик HZO порушує ліміт Шотткі. «Це не досяжно традиційним способом», – додає він.


Салахуддін каже, що команда зараз шукає можливості для співпраці з галуззю, щоб перевірити ефект негативної ємності в більш просунутих радіочастотних транзисторах на базі GaN. Тепер, коли вони можуть подолати ліміт Шотткі в GaN-транзисторах у лабораторних умовах, каже він, їм потрібно перевірити, чи працює це в реальному світі.


Салахуддін вивчає негативну ємність у кремнієвих транзисторах з 2007 року. Майже 20 років потому команда Салахуддіна переконливо обґрунтувала фізику негативної ємності, і робота з GaN показує, що це може допомогти підвищити потужність силової електроніки та телекомунікаційного обладнання в майбутньому. Команда з Берклі також сподівається перевірити цей ефект у транзисторах, виготовлених з інших видів напівпровідників, включаючи алмаз, карбід кремнію та інші матеріали.