La capacitancia negativa hace que los transistores de ganancia sean rápidos y eficientes

Investigadores de la Universidad de California, Berkeley, junto con los colaboradores de Stanford, han utilizado con éxito un material ferroeléctrico para superar una limitación de larga data en los transistores de nitruro de galio (GaN).Sus hallazgos, publicados en Science, muestran que la integración de un material que exhibe una capacitancia negativa en los dispositivos GaN ayuda a mejorar el rendimiento sin sacrificar la eficiencia energética.

Los transistores basados en GaN son componentes críticos en estaciones base 5G y fuentes de alimentación compacta.Sin embargo, escalarlos para mayor potencia y frecuencia siempre ha involucrado compensaciones.Un desafío clave radica en mantener una alta corriente cuando el dispositivo está encendido, al tiempo que reduce la fuga de energía cuando está apagado.Esto suele estar limitado por el límite de Schottky, una compensación dictada por el grosor de las capas aislantes en el transistor.

El equipo de investigación abordó este problema aplicando una bicapa de 1.8 nanómetros de espesor hecha de óxido de hafnio y circonio, conocido como HZO.Tiene estructura cristalina, lo que le permite mantener un campo eléctrico interno, sin el voltaje externo aplicado.

A diferencia de los aisladores convencionales, HZO es un material ferroeléctrico que admite una capacitancia negativa.Este fenómeno mejora el control de la puerta y aumenta el flujo de corriente en el estado, al tiempo que limita la fuga cuando el transistor está apagado.

Normalmente, aumentar el grosor dieléctrico debilita el control sobre el transistor.Pero con capacitancia negativa, el nuevo diseño desafía esa lógica.El campo interno de la capa HZO interactúa con el voltaje aplicado de una manera que aumenta la acumulación de carga en la puerta.Esto se traduce directamente en un mejor comportamiento de cambio y una mayor eficiencia en los transistores GaN.

Aunque los dispositivos experimentales siguen siendo relativamente grandes, el equipo planea aplicar este enfoque a transistores de radiofrecuencia más avanzados y miniaturizados.La investigación abre nuevas rutas para extender aplicaciones de capacitancia negativa más allá del silicio en GaN, y posiblemente en otros semiconductores de alta potencia como el carburo de silicio y el diamante.Si se demuestra escalable, esta innovación podría mejorar drásticamente el rendimiento de futuros dispositivos electrónicos y de telecomunicaciones.