Учени от САЩ ускориха транзисторите, заобикаляйки законите на физиката

Учените от САЩ успяха да приложат в микроелектрониката едно парадоксално физично явление, наречено отрицателен капацитет. Екипът проучваше това явление в продължение на повече от 20 години, като през цялото това време беше обект на обичайната критика.

Въпреки това, редица публикации в научни списания говорят сами за себе си: този странен ефект съществува и може да се използва за повишаване на производителността на транзистори и чипове.

Феноменът отрицателен капацитет е условен и се проявява само в сегноелектриката. Под въздействието на външно електрическо поле кристалната структура на сегнетоелектриците променя поляризацията си, а също така запазва вътрешното електромагнитно поле в кристалната решетка дори след премахване на външното въздействие. Това явление, в частност, се използва за създаване на енергонезависима памет FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory).

Екип от учени от Националната лаборатория „Лорънс“ в Бъркли и Калифорнийския университет изследва транзисторни структури със слой от сегнетоелектрик. Такъв материал е в състояние да намали управляващото напрежение, като внася отрицателна компонента на капацитета в диелектричната структура (тя частично компенсира паразитния капацитет на материала), а също така води до натрупване на енергия вътре в транзистора, създавайки нещо като интегриран суперкондензатор – автономна енергийна клетка в чипа.

В нов научен документ екипът предлага използването на сегноелектрически елементи за подобряване на работата на високочестотни и мощни транзистори от галиев нитрид. Въпросните транзистори са транзистори с висока подвижност на електроните (HEMT) – полеви транзистори с висока подвижност на електроните. Те се основават на хетероструктури като GaAs/AlGaAs или GaN/AlGaN, където на границата на два материала с различна ширина на лентата се създава двуизмерен електронен газ (2DEG) с висока подвижност на електроните. Това осигурява ниско съпротивление и висока скорост на превключване.

Производителността на HEMT транзисторите, както и на други полупроводникови структури, е ограничена от законите на физиката и по-специално от така наречения лимит на Шотки.

Тя се определя от компромиса между дебелината на изолатора, предотвратяващ изтичането на ток в затворено състояние, и големината на тока в отворено състояние, както и от скоростта на превключване между тези режими. Изследователите твърдят, че отрицателният капацитет преодолява този компромис и осигурява повишаване на производителността на GaN транзисторите. Доказано е, че увеличаването на дебелината на сегнетоелектричния диелектрик не намалява скоростта на превключване.

Върху работния слой на транзистора под гейта е нанесен сегнетоелектрик с дебелина 1,8 nm под формата на съединение на хафниев оксид и циркониев оксид (HfO₂-ZrO₂ – съкратено HZO). Кристалната структура на HZO позволява поддържането на вътрешно електрическо поле дори при липса на външно напрежение. Когато към транзистора се приложи напрежение, вътрешното поле на HZO му противодейства. Това има парадоксален ефект в транзистора: намаляването на напрежението води до увеличаване на заряда, съхраняван в HZO. Тази отрицателна капацитивна реакция ефективно засилва контрола на гейта, като насърчава натрупването на заряд в двуизмерния електронен облак на транзистора и увеличава тока в състояние на включване. В същото време дебелината на диелектрика на HZO потиска тока на утечка при изключване на устройството, като по този начин пести енергия.

„Когато добавите друг материал, дебелината на гейта трябва да се увеличи и контролът на гейта да се влоши. Въпреки това диелектрикът HZO изглежда преодолява ограничението на Шотки. Това не може да бъде постигнато с конвенционални методи. Получаването на повече ток от дадено устройство чрез добавяне на изолатор е изключително ценно. В други случаи това не може да бъде постигнато без отрицателен капацитет.“

обясняват учените

Учените са провели експеримента върху макет на транзистор. Предстои им да намалят размера му и да проверят дали подобни структури работят в по-малък мащаб. Междувременно те търсят заинтересовани партньори, за да повторят експеримента за масово производство на транзистори.