背景介绍

在高频和大功率应用领域中，基于宽禁带材料的高电子迁移率晶体管（HEMT）展现出了巨大的潜力。特别是，位于AlGaN/GaN异质结界面的二维电子气（2DEG）因其卓越的载流子迁移率而被广泛应用于射频（RF）设备中。然而，传统的肖特基栅极结构虽然能够最大化地诱导电荷并提高电流，但也导致了较高的泄漏电流问题。通过引入常规介电层可以减少泄漏电流，但这又会导致导通电流的降低，形成了一个难以调和的矛盾。

文献概述

这篇由Asir Intisar Khanl等人发表于《Science》杂志上的文章提出了一种新的解决方案，通过使用一种铁电HfO₂-ZrO₂双层作为栅极介质，在保持甚至增加导通电流的同时显著降低了泄漏电流。该研究团队采用这种新方法制作的氮化镓HEMT不仅克服了传统肖特基栅HEMT的局限性，还提供了一条提升基于2DEG的晶体管性能的新途径。

该方案通过引入铁电材料的负电容效应，突破了传统 HEMT 的性能极限。这一成果的意义体现在：

理论层面：验证了负电容效应在高频高功率器件中的可行性，为半导体器件物理提供了新的研究方向。

应用层面：新型器件可直接应用于5G基站功率放大器、新能源汽车电机控制器、航空航天雷达等场景，降低功耗的同时提升设备性能。

产业层面：HZO材料与现有GaN工艺兼容，无需大规模改造生产线即可实现量产，加速了技术落地进程。

附图展示

图1 器件结构对比图

在图1中，(A)肖特基HEMT的横截面示意图，其等效栅电容(C_g,eq)对应底层栅堆栈的总电容(C_g,Sch)；(B)在栅堆栈中引入传统绝缘栅介质将器件转变为金属-绝缘体-半导体(MIS)HEMT，虽然降低栅漏电流，但由于串联电容效应会使总栅电容低于C_g,Sch；(C)在肖特基构型中引入铁电氧化物介质可在保持低漏电特性的同时，使栅电容突破肖特基极限(C_g,Sch)；(D)本工作采用的铁电负电容介质示意图，由ZrO₂(1.3nm)/HfO₂(0.5nm)超薄双层组成(简称~1.8nm HZO)。(E)铁电负电容HEMT、肖特基HEMT和MIS-HEMT的驱动电流-栅压传输特性对比示意图。负电容HEMT利用增强的电容和栅控能力，在降低关态漏电流的同时实现超过肖特基HEMT极限的更高导通态驱动电流。

图2 HZO材料与栅极电容关系

在图2中，肖特基与负电容(NC)GaN HEMT结构及材料表征。(A)制备的肖特基GaN HEMT示意图。"肖特基"指栅金属与凹槽GaN覆盖层之间不存在任何栅介质。(B)钨(W)栅金属下方肖特基HEMT堆栈的透射电镜横截面图像(切割线如(A)中虚线箭头所示)，显示约4nm厚的凹槽GaN覆盖层。(C)制备的NC GaN HEMT示意图，在栅金属(W)与凹槽GaN覆盖层之间具有铁电负电容HZO介质。(D)栅金属下方NC HEMT的透射电镜横截面显微图(切割线如(C)中虚线箭头所示)，显示在约4nm剩余GaN覆盖层(与肖特基GaN HEMT厚度相同)上存在约1.8nm HZO栅介质。原子级1.8nm厚HZO介质的图像及从橙色框区域提取的d晶面间距表明：(E)萤石结构铁电正交相(Pca2₁)与(F)反铁电四方相(P4₂/nmc)共存于同一HZO层中，促进负电容效应的稳定。(E)和(F)中的HZO层采用与器件完全相同的沉积条件，物相归属基于Zr(Hf)的原子构型及其原子间距。铁电正交相(Pca2₁)沿[100]晶带轴与反铁电四方相(P4₂/nmc)沿[111]晶带轴的原子构型分别示于(E)和(F)。

总结

该研究通过引入铁电HfO₂-ZrO₂双层作为栅介质，成功实现了同时提高导通电流和降低泄漏电流的目标，这对于未来高性能电子器件的设计具有重要意义。这项成果不仅为解决长期存在的技术难题提供了新思路，也为进一步探索负电容效应的应用开辟了道路。

文献信息

标题：Negative capacitance overcomes Schottky-gate limits in GaN high-electron-mobility transistors
作者：Asir Intisar Khanl et al.
期刊：Science
DOI: 10.1126/science.adx6955

江苏第三代半导体研究院译