「負電容」技術為高效晶體管研髮帶來希望

關鍵詞：負電容 高效晶體管 鐵電體 二維材料 氧化鋯鉿 二硫化鉬 亞閾值擺幅

2008年，美國普渡大學的一個研究團隊曾提出利用負電容原理製造新型低功耗晶體管的概念。近日，加州大學伯克利分校的研究人員通過實驗對這一概念進行了驗證演示。研究人員利用一層極薄的二硫化鉬二維材料半導體層作為臨近晶體管柵極的溝道。然後，利用鐵電材料氧化鋯鉿製作新型負電容柵極的關鍵組件。該研究內已於2017年12月18日刊登在著名學術期刊《自然納米技術》上。

研究背景和原理

電容，即電荷的存儲量，一般為正值。然而，如果在晶體管柵極中加入鐵電材料，就會產生負的電容值。這是因為，在某一臨界電壓下，鐵電體的極化方向會發生反轉，這會導致材料表面束縛電荷的巨大積累瞬間超過電源的電極供給。此時，如在電極和外電源間放一電阻，就可看出電壓在下降，但電荷仍然在增加，結果導致出現電容為負值的現象。利用負電容操控晶體管所產生的功耗非常低。應用這種新型晶體管的電子設備的續航能力將會大大提升。

圖 (a)新型晶體管結構示意圖; (b)負電容晶體管結構透射電鏡圖;

(c)器件細節的能量色散x射線熒光光譜圖

當前，二氧化鉿作為優良的電介質材料或絕緣材料被廣泛用於晶體管柵極中。在全新設計中研究人員用鐵電材料氧化鋯鉿替代了二氧化鉿。研究人員指出，此項研究的目的就是要製造出功耗更低、更加高效的晶體管，特別是針對那些儲電量有限的電子設備，如行動電話、分散式感測器和新興的物聯網組件等。

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晶體管是可對電路執行快速開啟和關閉操作的微小開關器件，使計算機能利用二進位代碼處理信息。適當的關閉操作是十分重要的，以避免電能的泄漏。由於熱離子極限限制，晶體管在進行開關操作時電流每增加十倍所需的最低電壓一般為60毫伏（即亞閾值擺幅）。然而，利用負電容原理的晶體管有望對打破這種基本理論限制，可在更低的電壓下執行開關操作，從而大大減少器件運行功耗。

新的研究發現表明，在晶體管柵極中使用鐵電材料和負電容原理有助於提升晶體管的開關性能。但是，要實現這一全新的設計需要滿足另一個要求：為使晶體管的開關狀態達到理想的水平必須避免磁滯現象的產生。研究人員利用當前在半導體製造工業中較為常見的原子層沉積工藝製作負電容，增加了新型晶體管的實際使用價值和製造可行性。

意義

目前，該項研究仍在進行中。未來，研究人員將會繼續探索這些設備的開關速度是否能夠足夠快，以滿足超高速的商業應用需求。然而，即使沒有實現超快的開關速度，新型晶體管也將對各種低頻、低功率電子設備產生革命性的影響。

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