負電容 （NC） 主要用于降低電子設備的功耗并實現超低功耗納米電子學。通過利用鐵電材料的獨特性能，NC 可用于克服傳統晶體管的局限性，并有可能帶來更節能的電子設備，從傳感器到高頻、高功率氮化鎵 （GaN） HEMT。

正常電容是存儲與施加電壓成比例的電荷的能力。當電荷的變化發生在與施加電壓變化相反的方向時，這就是 NC。

NC 主要存在于某些鐵電材料中，有時稱為鐵電負電容。這些鐵電體在其轉變溫度以下表現出雙自由能特性（圖1a）。當繪制材料中的極化 （P） 與電場 （E） 時，這會導致“S”形曲線（圖 1b）。

圖 1.（b） 中的“S”形曲線表示 NC 區域，陰影為綠色。（圖片來源：納米電子材料實驗室)

NC鐵電體

可以表現出 NC 特性的鐵電材料示例包括：

• 氧化鉿鋯 （HfO2-ZrO2） 已用作計算機芯片中的高 K 電介質，已顯示出在數控應用中的前景。

• 鋯酸鉛 （PbZrO3） 具有反鐵電特性，并在非極性到極性相變期間表現出 NC。

• 二氧化鉿 （HfO2） 或哈骪是一種高 K 介電材料，有時用于代替 MOSFET 中的二氧化硅 （SiO2）。當結合使用時，哈夫尼亞和 SiO2 可以產生 NC 效果。

• 鈦酸鉛 （PbTiO3），尤其是納米級層，正在開發用于數控應用。

克服玻爾茲曼極限

將鐵電層與介電層（如 SiO2）結合，可以創建具有 NC 的結構。這些異質結構正在被研究為克服玻爾茲曼極限的可能工具。

玻爾茲曼極限是指理論上可實現的最小亞閾值擺幅（SS），這是衡量FET開關效率的關鍵指標。等效氧化物厚度 （EOT） 縮放是一種旨在減少柵極電介質有效厚度的工具，從而增加電容并提高器件的性能。

EOT 縮放會遇到非常薄的介電層的極限。使用高 K 金屬柵極 （HKMG） 是支持 IC 中 FET 持續擴展的常用方法。然而，HKMG 解決方案的使用正達到極限。

如上所述，鉿是一種高 K 介電材料，可用于代替 FET 中的 SiO2。當結合使用時，鉿和 SiO2 可以產生 NC 效應，并且是正在探索的材料之一，作為突破玻爾茲曼極限的可能解決方案。

當 NC 集成到 FET 的柵極堆棧中時，它可以有效地放大晶體管內的內電位，從而允許施加的柵極電壓變化更小，以實現通道電位的相同變化，從而導致更陡峭的亞閾值擺幅并超過玻爾茲曼極限（圖 2）。

圖 2.將NC集成到FET的柵極堆棧中可能會提供一條克服玻爾茲曼極限的途徑。（圖片來源：APL Materials)

在 GaN HEMT 中使用 NC

與 IC 中的 FET 一樣，用于 5G 和功率轉換的 GaN HEMT 也有一個稱為 HEMT 限制的限制，它指的是頻率、功率和溫度方面的工作限制。典型的 GaN HEMT 依賴于肖特基柵極來實現大電流“導通”狀態。然而，這可能導致“關閉”狀態下的高柵極泄漏，從而影響效率。

常見的解決方案是添加傳統的介電層以減少泄漏。這也減少了“導通”電流，從而產生了權衡。盡量減少權衡的一種方法是在柵極金屬和AlGaN勢壘層之間添加一層薄薄的介電材料，形成金屬-絕緣體-半導體HEMT（MIS-HEMT），從而降低漏電流并增強開關性能。

通過加入鐵相 NC 層，研究人員已經證明可以消除權衡。NC 增強了柵極對通道的控制，提高了“導通”電流，而鐵電層還有助于減少泄漏（圖 3）。

圖 3.比較傳統肖特基 HEMT、MIS-HEMT 和擬議的鐵級 NC HEMT 的結構和性能。（圖片來源：arXiv)

總結

在NC中，存儲電荷的變化方向與施加電壓的變化相反，例如，當電壓降低時增加。NC正在應用于數字和功率半導體器件。對于數字器件，它可以幫助克服玻爾茲曼極限，而對于氮化鎵 HEMT，它可能能夠同時增強柵極控制并減少泄漏。