Учёные из США смогли поставить на службу микроэлектронике парадоксальное физическое явление, названное отрицательной ёмкостью. Команда более 20 лет исследовала это явление, всё это время подвергаясь привычной критике. Однако целый ряд публикаций в научных журналах говорит сам за себя: этот странный эффект существует, и его можно использовать для повышения производительности транзисторов и чипов.
Явление отрицательной ёмкости условно и проявляется только в сегнетоэлектриках. Под воздействием внешнего электрического поля кристаллическая структура сегнетоэлектриков меняет поляризацию, а также сохраняет внутри кристаллической решётки внутреннее электромагнитное поле даже после снятия внешнего воздействия. Это явление, в частности, используется для создания энергонезависимой памяти FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory).
Группа учёных из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли и Калифорнийского университета исследует транзисторные структуры с прослойкой из сегнетоэлектрика. Такой материал в качестве диэлектрика под затвором способен снижать управляющее напряжение за счёт привнесения отрицательной составляющей ёмкости в структуру диэлектрика (она частично компенсирует паразитную ёмкость материала), а также ведёт к накоплению энергии внутри транзистора, создавая что-то вроде встроенного суперконденсатора — автономного элемента питания в чипе.
В новой работе команда предложила использовать сегнетоэлектрик для повышения производительности высокочастотных мощных транзисторов из нитрида галлия. Речь идёт о транзисторах High-Electron-Mobility Transistor (HEMT) — полевых транзисторах с высокой подвижностью электронов. Они основаны на гетероструктурах, таких как GaAs/AlGaAs или GaN/AlGaN, где на границе двух материалов с разной шириной запрещённой зоны создаётся двумерный электронный газ (2DEG) с высокой подвижностью электронов. Это обеспечивает низкое сопротивление и высокую скорость переключения.
Производительность транзисторов HEMT, как и других полупроводниковых структур, ограничена законами физики и, в частности, так называемым пределом Шоттки. Он определяется компромиссом между толщиной изолятора, препятствующего утечкам тока в закрытом состоянии, и величиной тока в открытом состоянии, а также скоростью переключения между этими режимами. Отрицательная ёмкость, утверждают исследователи, позволяет преодолеть этот компромисс и обеспечить прирост производительности GaN-транзисторов. Было показано, что увеличение толщины диэлектрика из сегнетоэлектрика не снижает скорость переключения.
Сегнетоэлектрик в виде соединения оксида гафния и оксида циркония (HfO₂-ZrO₂ — сокращённо HZO) толщиной 1,8 нм был нанесён на рабочий слой транзистора под затвором. Кристаллическая структура HZO позволяет сохранять внутреннее электрическое поле даже при отсутствии внешнего напряжения. Когда на транзистор подавалось напряжение, внутреннее поле HZO ему противодействовало. В транзисторе это приводило к парадоксальному эффекту: снижение напряжения вызывало увеличение накопленного в HZO заряда. Такая отрицательная ёмкостная реакция эффективно усиливала управление затвором, способствуя накоплению заряда в двумерном электронном облаке транзистора и увеличивая ток в включённом состоянии. В то же время толщина диэлектрика HZO подавляла ток утечки при выключении устройства, что позволяло экономить энергию.
«Когда вы добавляете другой материал, толщина [затвора] должна увеличиться, а управление затвором – ухудшиться, — поясняют учёные. — Однако диэлектрик HZO, похоже, преодолевает предел Шоттки. Этого нельзя добиться обычными методами».
«Получение большего тока от устройства за счёт добавления изолятора – чрезвычайно ценно, — добавляют исследователи. — В других случаях без отрицательной ёмкости этого добиться невозможно».
Учёные провели эксперимент на макетном образце транзистора. Им ещё предстоит уменьшить его размеры и убедиться в работоспособности таких структур на меньшем масштабе. Пока они ищут заинтересованных партнёров, чтобы воспроизвести эксперимент в условиях массового производства транзисторов.