Исследователи из США добились значительного прорыва в области микроэлектроники, применив в транзисторных структурах парадоксальное явление — отрицательную ёмкость. Благодаря инновационному подходу удалось ускорить работу транзисторов и преодолеть физический предел Шоттки, который долгое время ограничивал производительность полупроводниковых устройств.

Что такое отрицательная ёмкость и зачем она нужна?

Отрицательная ёмкость — это особое физическое поведение сегнетоэлектриков, при котором уменьшение напряжения вызывает увеличение накопленного заряда. Это явление ранее воспринималось как чисто теоретическое и оставалось предметом научных споров более 20 лет. Однако новая серия исследований показывает: отрицательная ёмкость не только существует, но и может быть использована в современных транзисторах для повышения эффективности их работы.

Ключевую роль в этом эффекте играют сегнетоэлектрики — материалы, способные сохранять внутреннее электромагнитное поле даже после снятия внешнего воздействия. Именно это свойство лежит в основе энергонезависимой памяти FeRAM, а теперь нашло применение и в высокочастотных транзисторах нового поколения.

HEMT-транзисторы: повышение производительности без жертв

Команда из Калифорнийского университета и Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли предложила использовать отрицательную ёмкость в высокомобильных полевых транзисторах (HEMT) на основе нитрида галлия (GaN). Эти транзисторы традиционно применяются в радиочастотной электронике, связи 5G, радарных системах и устройствах мощной коммутации.

Проблема HEMT-структур заключается в компромиссе между:

• толщиной диэлектрика (важна для подавления утечек),

• скоростью переключения,

• и силой тока в рабочем режиме.

Этот компромисс известен как предел Шоттки. Однако отрицательная ёмкость, по утверждению исследователей, разрушает этот барьер: удалось увеличить толщину изолятора без ухудшения управления и с одновременным увеличением рабочего тока.

Как это работает: сегнетоэлектрик HZO в действии

В качестве материала сегнетоэлектрика был использован оксид гафния с добавлением оксида циркония (HZO) толщиной всего 1,8 нм. Он был размещён под затвором транзистора.

Ключевой эффект заключался в следующем:

• при подаче напряжения внутреннее поле HZO противодействует внешнему, создавая зону накопления заряда;

• увеличение заряда происходило при снижении напряжения, что противоречит классической ёмкостной логике;

• в итоге это усиливало управление затвором и увеличивало ток в режиме "включено";

• при этом толстый изолятор эффективно подавлял ток утечки, снижая энергопотери в режиме ожидания.

Цитаты и выводы учёных

«Когда вы добавляете другой диэлектрик, обычно страдает управление затвором. Но HZO преодолевает этот предел», — поясняют авторы исследования.

«Получить больший ток за счёт утолщения изолятора — беспрецедентный результат. В классических структурах это невозможно без эффекта отрицательной ёмкости».

Перспективы: шаг к новой микроэлектронике

Пока что технология была протестирована на макетных образцах транзисторов, и следующая задача команды — масштабировать разработку и адаптировать её под массовое производство. Исследователи уже ищут партнёров в индустрии, чтобы реализовать технологию в реальных чипах — от мобильных устройств до специализированной радиоэлектроники.

Почему это важно:

• Использование отрицательной ёмкости в GaN-транзисторах открывает путь к более быстрым, энергоэффективным и компактным чипам.

• Предел Шоттки — одно из главных ограничений современной полупроводниковой техники — может быть преодолён.

• Это достижение может стать основой нового поколения электроники, где управление энергопотреблением и скоростью переключения будет выведено на качественно новый уровень.