氮化鎵，突破800°C_風聞

本文由半導體產業縱橫（ID：ICVIEWS）編譯自spectrum.ieee

賓夕法尼亞州立大學電氣工程朱教授領導的研究人員設計出一款可在800°C下工作的氮化鎵芯片。

在當前半導體市場，碳化硅和氮化鎵——正展開一場激烈的競爭。

碳化硅芯片曾一度佔據領先地位，工作温度可達600°C。但氮化鎵憑藉其獨特的特性，使其在高温下性能更佳，有希望超越碳化硅。賓夕法尼亞州立大學電氣工程朱教授領導的研究人員設計出一款可在800°C下工作的氮化鎵芯片。

這項進展可能對未來的太空探測器、噴氣發動機、製藥工藝以及許多其他需要極端條件下電路的應用至關重要。阿肯色大學電氣工程與計算機科學教授艾倫·曼圖斯（Alan Mantooth）表示，碳化硅高温芯片使科學家能夠將傳感器放置在以前無法放置的位置。曼圖斯並未參與這項新的氮化鎵研究成果。他解釋説，氮化鎵芯片可以在監測天然氣渦輪機、化工廠和煉油廠的能源密集型製造工藝以及迄今為止尚未有人想到的系統方面發揮同樣的作用。

他説：“我們可以將這種電子設備放置在硅根本無法想象的地方。”

碳化硅和氮化鎵在如此極端條件下的性能潛力都來自於它們的寬帶隙。寬帶隙是材料價帶（電子與分子結合的位置）和導帶（電子可以自由地參與電流流動的位置）之間的能隙。在高温下，帶隙較窄的材料中的電子總是被激發到足以到達導帶。這給晶體管帶來了問題，因為它們將無法關閉。碳化硅和氮化鎵的寬帶隙需要更多的能量來將電子激發到導帶，這樣晶體管就不會在高温環境下意外地總是處於開啓狀態。

與碳化硅相比，氮化鎵還具有一些獨特的特性，使其芯片在高温條件下性能更佳。Chu 團隊本月在《IEEE 電子設備快報》上描述了他們的集成電路，該集成電路由所謂的氮化鎵高電子遷移率晶體管 (HEMT)組成。GaN HEMT的結構包括一層氮化鋁鎵薄膜和一層氮化鎵。該結構將電子吸引到兩種材料之間的界面。

這層電子被稱為二維電子氣（2DEG），濃度極高，移動阻力極小。這意味着電荷在2DEG中移動速度更快，使得晶體管能夠響應電壓變化，並在導通和截止狀態之間更快地切換。更快的電子移動速度也使得晶體管能夠在給定電壓下承載更大的電流。使用碳化硅製造2DEG更加困難，這使得其芯片更難以達到氮化鎵器件的性能。

為了使GaN HEMT能夠在800°C下工作，需要對其結構進行一些調整。其中一些措施包括最大限度地降低漏電流，即即使在晶體管應該關閉的情況下也會潛入的電荷。他們通過使用鉭硅化物阻擋層來保護器件組件免受環境影響，並防止器件側面的金屬外層接觸二維電子氣（2DEG），因為接觸二維電子氣會進一步增加漏電流和晶體管的不穩定性。

儘管氮化鎵具有顯著的優勢，但與碳化硅相比，曼圖斯對其長期可靠性仍心存疑慮。他解釋説：“人們一直擔心氮化鎵在500℃及以上的極端温度下會出現微裂紋，而碳化硅中並不一定會出現這種現象，因此氮化鎵可能存在可靠性問題。”長期可靠性是一個有待改進的領域，朱教授表示，我們可以做一些技術改進：一是提高它在高温下的可靠性。目前，我認為我們可以在800 ℃ 的温度下保持大概 1 小時。

 氮化鎵與碳化硅

要改進該器件，還有很多工作要做。除了最大限度地降低漏電流外，鉭硅化物阻擋層的另一個作用是防止器件中的鈦與AlGaN薄膜發生潛在反應，從而破壞二維電子氣（2DEG）。

儘管存在潛在的壽命挑戰，該團隊的芯片仍在突破電子設備運行的極限，例如在金星表面。“如果你能在800℃下保持1小時，那就意味着在600℃或700℃下，你可以保持更長時間，”朱教授解釋道。金星的環境温度為470℃，因此GaN的新温度記錄可能對金星探測器中的電子設備有用。

曼圖斯解釋説，800 ℃ 這個數字對於高超音速飛機和武器來説也很重要。它們的極高速度產生的摩擦可使表面温度升至1,500 ℃或更高。

談到未來的計劃，朱教授表示，下一步是“擴大設備規模，使其運行速度更快”。他還認為，由於能夠在如此極端温度下工作的芯片供應商非常少，該芯片可能很快就會實現商業化。“我認為它已經相當成熟了。雖然它還需要一些改進，但高温電子產品的優勢在於，它目前沒有其他選擇，”他説道。

然而，氮化鎵電路戰勝碳化硅的局面可能不會持續太久。曼圖斯的實驗室也製造高温芯片，並正在努力使碳化硅達到朱教授芯片的高温水平。“我們將製造電路，嘗試用碳化硅達到同樣的温度，”曼圖斯説。雖然目前尚不清楚誰將最終勝出，但至少有一件事是肯定的：競爭仍在升温。

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