Cientistas aceleram transistores, desafiando as leis da física – Capacitância negativa quebra o limite de Schottky

Cientistas dos EUA conseguiram colocar um fenômeno físico paradoxal chamado capacitância negativa a serviço da microeletrônica. A equipe estuda esse fenômeno há mais de 20 anos, sempre sendo alvo das críticas habituais. No entanto, diversas publicações em periódicos científicos falam por si: esse efeito estranho existe e pode ser usado para aumentar o desempenho de transistores e chips.

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O fenômeno da capacitância negativa é condicional e se manifesta apenas em ferroelétricos. Sob a influência de um campo elétrico externo, a estrutura cristalina dos ferroelétricos muda de polarização e também mantém um campo eletromagnético interno dentro da rede cristalina, mesmo após a remoção da influência externa. Esse fenômeno, em particular, é usado para criar memórias não voláteis FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory).

Um grupo de cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e da Universidade da Califórnia está estudando estruturas de transistores com uma camada ferroelétrica. Um material como um dielétrico sob a porta é capaz de reduzir a tensão de controle introduzindo um componente negativo de capacitância na estrutura dielétrica (compensando parcialmente a capacitância parasita do material), e também leva ao acúmulo de energia dentro do transistor, criando algo como um supercapacitor embutido – uma fonte de alimentação autônoma no chip.

Em seu novo artigo, a equipe propôs o uso de um ferroelétrico para melhorar o desempenho de transistores de nitreto de gálio de alta frequência e alta potência. Estes são chamados de Transistores de Alta Mobilidade Eletrônica (HEMTs) — transistores de efeito de campo com alta mobilidade eletrônica. Eles são baseados em heteroestruturas como GaAs/AlGaAs ou GaN/AlGaN, onde um gás de elétrons bidimensional (2DEG) com alta mobilidade eletrônica é criado na interface de dois materiais com diferentes band gaps. Isso garante baixa resistência e alta velocidade de comutação.

O desempenho dos HEMTs, assim como de outras estruturas semicondutoras, é limitado pelas leis da física, em particular pelo chamado limite de Schottky. Ele é determinado por um compromisso entre a espessura do isolador, que impede a fuga de corrente no estado desligado, e a magnitude da corrente no estado ligado, bem como a velocidade de comutação entre esses modos. A capacitância negativa, afirmam os pesquisadores, permite superar esse compromisso e proporcionar um aumento no desempenho dos transistores de GaN. Foi demonstrado que o aumento da espessura do dielétrico ferroelétrico não reduz a velocidade de comutação.

Um ferroelétrico na forma de um composto de óxido de háfnio e óxido de zircônio (HfO₂-ZrO₂, ou HZO para abreviar) com uma espessura de 1,8 nm foi depositado na camada de trabalho do transistor sob a porta. A estrutura cristalina do HZO permite a manutenção do campo elétrico interno mesmo na ausência de tensão externa. Quando a tensão era aplicada ao transistor, o campo interno do HZO a neutralizava. No transistor, isso levou a um efeito paradoxal: uma diminuição na tensão causava um aumento na carga acumulada no HZO. Essa reação capacitiva negativa efetivamente melhorou o controle da porta, promovendo o acúmulo de carga na nuvem eletrônica bidimensional do transistor e aumentando a corrente no estado ligado. Ao mesmo tempo, a espessura do dielétrico do HZO suprimiu a corrente de fuga quando o dispositivo foi desligado, o que economizou energia.

«”Quando você adiciona outro material, a espessura [da comporta] deve aumentar e o controle da comporta deve se deteriorar”, explicam os cientistas. “No entanto, o dielétrico HZO parece superar o limite de Schottky. Isso não pode ser alcançado por métodos convencionais.”

«Extrair mais corrente de um dispositivo adicionando um isolante é extremamente valioso, acrescentam os pesquisadores. Em outros casos, isso é impossível de conseguir sem capacitância negativa.

Os cientistas realizaram o experimento em um protótipo de transistor. Eles ainda precisam reduzir seu tamanho e verificar a funcionalidade dessas estruturas em menor escala. Por enquanto, eles buscam parceiros interessados em reproduzir o experimento em condições de produção em massa de transistores.