Science：负电容效应突破GaN HEMT肖特基栅极瓶颈

本文转自：Science, 10 Jul 2025, eadx6955

作者：Khan. et.al

本文由加州大学伯克利分校 Sayeef Salahuddin 教授团队与斯坦福大学 Srabanti Chowdhury 教授团队合作完成。研究提出在 GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）中引入铁电负电容栅极介质（HfO₂-ZrO₂），一举打破了传统肖特基栅极结构在漏电流与导电能力之间的权衡限制，实现了同时提升通态电流与降低栅极漏电流的器件性能优化。该工作首次展示了在不牺牲输出电流的前提下，通过负电容效应有效抑制栅极漏电流，为基于二维电子气（2DEG）的宽禁带功率器件设计提供了全新思路。

基于宽禁带半导体材料的高电子迁移率晶体管（HEMT）在高频和大功率应用中展现出广阔前景 [1-3]。其中，AlGaN/GaN异质结界面形成的二维电子气（2DEG）具有优异的载流子迁移率 [4-6]，再加上氮化物材料本身的宽禁带特性，使得GaN-HEMT已广泛应用于射频（RF）领域 [7–10]。

为了维持2DEG的电荷密度和迁移率，需要对异质结构进行精细设计并优化界面工程。例如，在典型的AlGaN-GaN异质结构中，通常包括一个GaN通道（2DEG）、一个AlGaN势垒层以及一个GaN覆盖层；降低势垒层和覆盖层的厚度会对二维电子气的电荷密度产生不利影响 [11, 12]。因此，对于典型的HEMT器件，晶体管沟道顶部存在由几纳米厚的势垒层和覆盖层组成的复合电介质层，其电容决定了该异质结构所能实现的最大栅极电容。

由于电荷量与电容成正比，为了获得更大的可调控电荷量和更高的输出电流，传统GaN HEMT中通常采用肖特基栅极结构，即将金属直接沉积在覆盖层上方 [10]。这种结构下，金属栅极“看到”的是整个异质结构所能提供的最大栅极电容（记作Cg,sch，见图1A），因而可实现最大的导电能力。但与此同时，漏电流问题成为器件运行中的主要挑战 [13–16]。尽管GaN（带隙约3.4 eV）和AlxGa1–xN（HEMT结构中约为4.1–4.3 eV）本身属于宽禁带半导体，但它们的带隙和导带偏移相对于栅极金属低于标准栅极电介质如 HfO2 （~6 eV 带隙），这导致通过载流子隧穿的大量泄漏 [14–16]。已有研究表明，该漏电流可能源自Frenkel–Poole发射 [15,16]或陷阱辅助隧穿 [17]，其强度依赖于陷阱密度、势垒厚度以及电场强度等因素。

引入一层薄的传统介电材料虽然可以指数级地降低漏电流 [18–21]，但也会在原本的栅极电容Cg,sch上串联一个附加电容，从而降低金属栅极所感受到的总电容 [20, 22–25]（见图1B）。这意味着在相同栅压下，可调控的电荷减少，最终导致导通电流减小，形成GaN HEMT中导通电流与关断电流之间的基本性能权衡。

图1. 利用铁电负电容栅介质提升GaN HEMT性能的概念框架。

受到近期在硅晶体管中引入混相铁电HfO₂-ZrO₂层的研究启发 [26–29]，该研究尝试在氮极性GaN HEMT中采用类似的栅极结构（见图1C、1D）。此类结构可通过负电容效应（Negative Capacitance, NC），在串联电容网络中实现非常规的总电容提升 [30–35]，而不是传统电容串联所导致的降低。

实验结果表明，类似于硅器件，引入铁电层后GaN HEMT的总栅极电容不仅没有降低，反而超过了Cg,sch。这一非常规的电容提升同时伴随着导通电流的增强，说明这种铁电层的引入并未对2DEG中的电子输运特性造成不良影响。同时，该铁电层本身具有较大的物理厚度与能带宽度，使得相较于传统肖特基栅极结构，其栅极漏电流降低了超过一个数量级（见图1E）。

图2. 肖特基和 NC GaN HEMT 结构和材料特性

该工作采用了一种先进的 AlGaN/GaN 异质结构构建 GaN HEMT，结构示意如图2。异质结构的具体设计与器件的制备工艺详见补充材料方法部分及图3和4。结构中的 GaN 覆盖层、AlGaN 势垒层和 GaN 通道层共同作用，有助于通过背势垒效应提高通道中的二维电子气（2DEG）电荷密度 [26–29]，这是实现 AlGaN/GaN HEMT 正常工作的关键。

图3. NC GaN HEMT原理图与器件制造工艺流程图

图4. 肖特基 GaN HEMT原理图与器件制造工艺流程图

基于该异质结构，研究团队制备了两种不同类型的晶体管。两者均对原始覆盖层进行了减薄处理。第一种结构在减薄后的覆盖层上直接沉积钨（W）金属作为栅极（图1A 和图2A），为传统的肖特基栅极 HEMT（Schottky HEMT）。

另一种结构则在减薄覆盖层上先沉积 HfO₂-ZrO₂ 双层介质。该介质首先通过 13 个周期的原子层沉积（ALD）工艺生长 ZrO₂，随后进行 5 个周期的 HfO₂ 生长，最后在 ALD 系统中原位沉积金属 TiN 封顶。之后在该双层介质上沉积钨金属作为栅极金属，形成负电容型 HEMT（NC HEMT，见图1C 和图2C）。

为确保两种器件在减薄后的覆盖层厚度一致，两种样品在同一工艺条件下同步刻蚀处理。刻蚀后立即进行了原子力显微镜（AFM）扫描，结果表明两种结构的沟槽深度保持一致（图5）。这一结论也通过后续的透射电子显微镜（TEM）分析得到了进一步验证，相关结果在后文中进一步展示。

图5.原子力显微镜（AFM）图像：栅凹蚀区域

03 结构表征

透射电子显微镜（TEM）用于对肖特基 HEMT（图2B）与负电容 HEMT（图2D）的器件截面进行成像。图2D 显示，在 NC HEMT 中存在一层约 1.8 nm 的薄介电层，厚度与双层介质的原子层沉积（ALD）周期数（13 个 ZrO₂ + 5 个 HfO₂）相符合。

TEM 图像（图2B 和 2D）与此前的原子力显微镜（AFM）测量结果（图5A 和 5B）保持一致，进一步验证了两个器件中不同层的厚度一致性，包括减薄后的 GaN 覆盖层（约 4 nm）、Al₀.₂₇Ga₀.₇₃N 势垒层（约 2.6 nm）以及 GaN 通道层（约 13 nm）。

两种器件在减薄区的表面粗糙度均较低，均方根粗糙度在 ~0.6 至 ~0.7 nm 之间（图5C 和 5D）。能谱分析（EDS）结果进一步确认了堆叠结构中各层的元素分布及其均匀性，表明两类器件之间的唯一区别在于 NC HEMT 中额外引入了一层约 1.8 nm 的 HZO（HfO₂-ZrO₂）介电层，并在其上原位封装了一层约 4.5 nm 的金属 TiN。

进一步的高分辨 TEM（HRTEM）图像显示，在沉积于 GaN 上的 HZO 薄膜中共存有铁电（FE）正交相（图2E）与反铁电（AFE）四方相（图2F），该薄膜为氟化物晶体结构。HZO 中铁电与反铁电相的混合特性有助于稳定负电容效应 [26–29, 36, 37]，相关机理将在后文中进一步讨论。

04 电学测试

图6A 和 6B 分别展示了代表性器件的光学显微图与扫描电镜（SEM）图像。直流传输特性（ID 与 VGS的关系）显示，在器件尺寸相同的条件下，NC-HEMT 的最大驱动电流明显高于传统肖特基器件（图6C），并在不同漏电压下均表现出一致趋势。

图6. NC与肖特基GaN HEMT器件的电特性比较

此外，相较于不含介电层的肖特基器件，NC-HEMT 因其引入了高带隙的 HfO₂-ZrO₂ 双层介质，其栅极漏电流降低了一个数量级以上，符合预期。值得注意的是，即使在相同过驱电压（VGS − Vth）下，NC-HEMT 的驱动电流仍显著优于肖特基 HEMT。同时，NC-HEMT 的双向 ID–VGS 扫描几乎无滞后的传输特性，表明其具有高质量的介电层与 GaN 覆盖层界面。

栅极电容随电压的变化如图6D 所示。在肖特基 HEMT 中，可观察到一个约 1 V 的电压窗口（约从 −1.5 V 到 −0.5 V），其间功率损耗因子 D 较小（D

晶体管的输出电流 ID 可能受到源漏串联电阻（RSD）限制，其中包括源漏接触电阻和沟道接入区电阻。为评估器件的本征 ID，研究提取了 NC 与肖特基 HEMT 的 RSD（图7A）。结果显示，肖特基器件中 RSD 明显高于 NC 器件，主要归因于其源漏接触电阻较大（图7B）。即使在相同预估 RSD 下，NC 器件仍展现出更高的本征 ID——在本征过驱电压 Vov,i = 2 V 且 VDS = 1 V 的条件下表现尤为明显（图6F）。ID 对本征过驱电压（Vov,i）的曲线（图6G）以及 ID 对本征漏电压（VDS,i）的曲线（图6H）进一步证实了 NC HEMT 在本征性能上对肖特基器件的优势。

图7. 串联电阻提取与TLM测量

最后，图6I 展示了基于实测数据的 ION–IOFF 性能空间。NC-HEMT 的开启电流提升了近 3 倍，同时关断电流降低超过一个数量级，成功打破了传统 GaN HEMT 中开启/关断电流之间的性能权衡。

从前文的 TEM 和 AFM 结构表征可以看出，两种 HEMT 器件结构之间的唯一区别，在于 NC-HEMT 在刻蚀后的 GaN 覆盖层之上额外引入了一层介电材料和金属覆盖层。NC-HEMT 漏电流的降低可归因于栅极结构中附加的物理厚度，这是预期内的结果。然而，从经典电学的角度看，该介电层应当与原有的肖特基栅极电容串联，反而会降低总电容，从而限制可调控的电荷量与导通电流。为此，我们进一步探究了为何在相同过驱电压下，NC-HEMT 的导通电流反而出现了提升。

从器件的电学测量结果来看，NC-HEMT 的栅极电容并未如传统理论预期那样降低，反而明显高于传统肖特基栅极结构（图6E）。这一“反常”现象可以用 HfO₂-ZrO₂ 双层结构所产生的负电容效应来解释：当负电容与正电容串联时，总体电容会被放大，而非削弱。

为了进一步验证该 HfO₂-ZrO₂ 双层结构的电容特性，我们将同样的结构沉积在带有 SiO₂ 界面层的硅基衬底上（实验细节见补充材料）。图8 显示，该双层结构在硅基器件中也实现了类似的电容增强，进一步验证其负电容效应的作用机制。在约 1.8 nm 厚的 HZO 层中，电容提升主要归因于铁电特性所带来的负电容效应（图8A）。作为对照组，若采用等厚的 HfO₂ 单层结构，其仅提供正电容，反而使得总电容低于单独的 SiO₂ 层（图8B），这进一步突显了 HZO 双层结构在改善栅极控性能与器件整体特性中的独特价值。

图8. 铁电性 HfO₂-ZrO₂ 双层（HZO）中的负电容效应与电容提升机制

近期研究表明，不同厚度组合的 HfO₂ 与 ZrO₂ 层可以在硅基底上形成混合铁性相（ferroic mixed phases），从而表现出稳定的负电容特性[26–29]。在本研究中，通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像（图2E 和 2F），可清晰观察到 HZO 双层膜中同时存在极性正交（ferroelectric orthorhombic）和非极性四方（antiferroelectric tetragonal）两种晶相。这种混合相结构中的晶体不均匀性可诱导退极化场，抑制远程极化排列[38]；而在极性与非极性相共存的系统中，退极化场可稳定本应处于高能态的铁电区域，从而实现并维持负电容效应[31–33, 39]。这一现象与我们在超薄 HZO 双层膜中观察到的行为相一致。

此外，这类混合相 HZO 薄膜即便沉积在极薄（~8–8.5 Å EOT）SiO₂ 界面层上，也能表现出低漏电流[26]，进一步验证了其在作为高性能栅极介质方面的潜力。在本研究中，HZO 层直接沉积在约 4 nm 的 GaN 覆盖层之上，这种结构设计显著增加了栅极到二维电子气（2DEG）之间的有效势垒厚度。结合 HZO 的大带隙与额外的物理厚度，有效抑制了漏电流的发生。

需要指出的是，与传统的硅沟道晶体管不同，后者的栅极介质通常通过极薄的 SiO₂ 层直接接触沟道，N 极性的 GaN HEMT 中，栅极介质与导电沟道之间隔有约 4 nm 的 GaN 覆盖层和约 2.6 nm 的 AlGaN 势垒层。因此，HZO 栅极介质与沟道之间存在明显的物理间隔，其界面陷阱对沟道电子传输行为的影响有限。

06 讨论

高漏电流一直是 GaN 肖特基HEMT的长期难题。经典静电学无法在不牺牲可调控电荷量和导通电流的前提下，有效抑制漏电流。在这一背景下，混合相铁电负电容介质为 GaN HEMT 的器件设计提供了全新的思路。正如本研究所展示的，这类介质不仅能将漏电流降低数个数量级，还能同步提升器件的导通电流。

值得注意的是，本文中所采用的双层结构最初是针对硅基晶体管优化设计的。若将负电容整合专门针对 GaN HEMT——尤其是尺寸更小或高频应用的结构——进行优化，有望进一步提升性能表现。尽管本研究聚焦于氮极性（N-polar）GaN HEMT，通过类似的沟道刻蚀或外延结构调控，亦有望将负电容栅极介质拓展至镓极性（Ga-polar）器件，并在维持二维电子气（2DEG）约束的同时增强负电容效应。

此外，近年来氮化物铁电材料（如 AlScN）的研究进展[40, 41]也为通过外延路径构建更强负电容效应提供了可能性。该核心思路同样适用于其他基于异质结量子阱诱导二维电子气的晶体管（如 III-V 材料体系）性能优化。

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