음의 커패시턴스는 GAN 트랜지스터 한계를 파손합니다

캘리포니아의 과학자들은 부정적인 용량을 나타내는 이상한 속성을 나타내는 전자 재료를 통합하면 고출력 갈륨 질화물 트랜지스터가 성능 장벽을 뚫는 데 도움이 될 수 있다고 캘리포니아의 과학자들은 말합니다. 연구가 발표되었습니다 과학 음성 커패시턴스는 일반적으로 트랜지스터가 “ON”상태에서 성능이 우수한 상태와 “Off”상태에서 얼마나 잘 수행되는지 사이의 트레이드 오프를 시행하는 물리적 한계를 측정하는 데 도움이된다고 제안합니다. 이 프로젝트의 배후에있는 연구원들은 실리콘에서 광범위하게 연구 된 음성 커패시턴스가 이전에 인식 된 것보다 더 넓은 응용을 가질 수 있음을 보여줍니다.

GAN POWER 5G 기지국 및 핸드폰 용 소형 전력 어댑터를 기반으로 한 전자 장치. 기술을 더 높은 주파수와 더 높은 전력 운영으로 밀어 내려고 할 때 엔지니어는 트레이드 오프에 직면합니다. HEMTS (High-Electron-Movility Transistors)라고하는 무선 신호를 증폭시키는 데 사용되는 GAN 장치에서는 유전체라는 단열층을 추가하면 꺼져있을 때 에너지를 낭비하지 못하지만 성능이 켜질 때 전류가 흐르지 않도록합니다.

에너지 효율과 스위칭 속도를 극대화하기 위해 Hemts는 Schottky Gate라는 금속 성분을 사용합니다. 이는 Gan 및 알루미늄 갈륨 질화물로 구성된 구조 위에 직접 설정됩니다. Schottky Gate에 의해 전압을 적용하면 트랜지스터 내부에 2D 전자 구름이 형성됩니다. 이 전자는 지퍼이며 트랜지스터가 빠르게 전환하는 데 도움이되지만 게이트쪽으로 올라가서 누출되는 경향이 있습니다. 탈출을 방지하기 위해 장치는 유전체로 캡핑 될 수 있습니다. 그러나이 추가 층은 게이트와 전자 구름 사이의 거리를 증가시킵니다. 그리고 그 거리는 트랜지스터를 제어하는 게이트의 능력을 감소시켜 성능을 방해합니다. 게이트 제어 정도와 장치의 두께 사이의 역 관계를 Schottky 한계라고합니다.

“절연체를 추가하여 장치에서 더 많은 전류를 얻는 것은 매우 가치가 있습니다. 이것은 부정적인 커패시턴스없이 다른 경우에는 달성 할 수 없습니다.” —Umesh Mishra, 캘리포니아 대학교 산타 바바라

기존의 유전체 인 Sayeef Salahuddin, Asir Intisar Khan 및 Urmita Sikder, Berkeley University, Berkeley의 전기 엔지니어 인 Urmita Sikder는 스탠포드 대학교의 Srabanti Chowdhury 및 Jeongkyu Kim과 협력하여 Schottky Gates와 함께 GAN 장치에 대한 특별 코팅을 테스트했습니다. 이 코팅은 산화 지르코늄 층으로 구성된 지르코늄 층으로 구성됩니다. 1.8 나노 미터 두께의 이중층 소재는 짧은대로 HZO라고하며 음의 커패시턴스를 표시하도록 설계되었습니다.

HZO는 강유전체입니다. 즉, 외부 전압이 적용되지 않더라도 내부 전기장을 유지할 수있는 결정 구조가 있습니다. (기존의 유전체에는이 고유 한 전기장이 없습니다.) 전압이 트랜지스터에 적용되면 HZO의 고유 한 전기장은이를 반대합니다. 트랜지스터에서, 이것은 반 직관적 인 효과로 이어집니다. 전압의 감소는 HZO에 저장된 전하가 증가합니다. 이 음성 커패시턴스 반응은 게이트 제어를 효과적으로 증폭시켜 트랜지스터의 2D 전자 구름이 충전을 축적하고 국가 전류를 강화시키는 데 도움이됩니다. 동시에, HZO 유전체의 두께는 장치가 꺼져있을 때 누출 전류를 억제하여 에너지를 절약합니다.

Salahuddin은“다른 재료를 넣으면 두께가 올라가고 게이트 제어가 내려 가야합니다. 그러나 HZO 유전체는 Schottky 한계를 파괴하는 것으로 보입니다. “이것은 일반적으로 달성 할 수 없습니다”라고 그는 말합니다.

산타 바바라 (Santa Barbara)의 캘리포니아 대학교 (University of California)의 Gan High-Electron-Mobility Transisters의 전문가 인 Umesh Mishra는“절연체를 추가하여 장치에서 더 많은 전류를 얻는 것은 매우 가치가 있습니다. “이것은 부정적인 커패시턴스가없는 다른 경우에는 달성 할 수 없습니다.”

NC Durham의 Duke University의 전기 엔지니어 인 Aaron Franklin은“혁신적인 강유전 전기층을 게이트 스택에 통합하는 것은 명확한 약속을 가졌다”고 말했다.

음성 커패시턴스로 더 나아가고 있습니다

Salahuddin 은이 팀은 현재보다 고급 GAN 무선 주파수 트랜지스터에서 부정적인 커패시턴스 효과를 테스트하기 위해 업계 협업을 찾고 있다고 말했다. “우리가 보는 것은 과학적으로 장벽을 깨뜨린다”고 그는 말한다. 그는 실험실 조건 하에서 GAN 트랜지스터의 Schottky 한도를 분류 할 수 있으므로 실제 세계에서 작동하는지 테스트해야한다고 그는 말합니다.

Mishra는 논문에 설명 된 장치가 비교적 크다는 점을 지적하면서 동의합니다. Mishra는“매우 스케일링 된 장치에서 이것을 보는 것이 좋을 것입니다. “이것이 정말로 빛날 것입니다.” 그는이 작품이“위대한 첫 단계”라고 말합니다.

Salahuddin은 2007 년부터 실리콘 트랜지스터에서 부정적인 정전 용량을 연구 해 왔으며 그 당시 많은 시간 동안 Mishra는 모든 회의 프레젠테이션 후 강렬한 질문을 받았다고 말합니다. 거의 20 년 후, Salahuddin의 팀은 음성 커패시턴스의 물리학에 대한 강력한 사례를 만들었으며 GAN 작업은 전력 전자 장치 및 통신 장비를 향후 더 높은 전력으로 밀어 넣는 데 도움이 될 수 있다고 Mishra는 말합니다. 버클리 팀은 또한 다이아몬드, 실리콘 카바이드 및 기타 재료를 포함한 다른 종류의 반도체로 만든 트랜지스터의 효과를 테스트하기를 희망합니다.

이 게시물은 2025 년 8 월 1 일에 Urmita Sikder의 철자와 강유전 전기 코팅 구성 부분의 순서를 고치기 위해 수정되었습니다.