氮化鎵電晶體

簡介

氮化鎵電晶體

法國和瑞士科學家首次使用氮化鎵在(100)-矽(晶體取向為100)基座上，成功製造出了性能優異的高電子遷徙率電晶體(HEMTs)。此前，氮化鎵只能用於(111)-矽上，而目前廣泛使用的由矽製成的互補性金屬氧化半導體(CMOS)晶片一般在(100)-矽或(110)-矽晶圓上製成。這表明，新電晶體能同由(110)-矽製成的CMOS晶片兼容，科學家可據此研製出兼具CMOS晶片的計算能力和氮化鎵電晶體大功率容量的混合電子元件，以獲得更小更快、能耗更低的電子設備。相關論文發表於《套用物理學快報》(AppliedPhysicsExpress)。

製造工藝

電晶體主要由矽製成，用在高電壓電路中，其作用是計算以及增強電子射頻信號。瑞士蘇黎世聯邦高等工學院(ETH)的科倫坡·博羅內斯說：“矽是上帝賜予工程師們的禮物。矽不僅是做基座，也是做半導體和晶片的基本材料。”
然而，矽也有缺陷。當溫度超過200攝氏度後，矽基設備開始出故障。氮化鎵電晶體能應對1000攝氏度以上的高溫;其能應對的電場強度也是矽的50多倍，這使科學家們可用氮化鎵製造出更快的電子線路。博羅內斯說：“這一點對於通訊來說尤為重要，因為工程師們能藉此更快更有效地處理信息。”
但科學家們一直認為氮化鎵技術太過昂貴，不能取代矽技術。不過，最近工程師們開始利用氮化鎵在構建動力電子設備方面的優勢，希冀研發出更快、更耐熱、能效更高的電晶體。
因為氮化鎵和矽這兩種材料的屬性不同，很難將兩者結合在一個晶圓上，並且在加熱過程中可能也會產生裂痕。不過，在最新研究中，博羅內斯和法國國家科學研究中心的科學家成功地將氮化鎵種植在(100)-矽晶圓上，製造出了新的氮化鎵電晶體，也解決了高溫可能產生裂痕的問題。
(100)-矽基座的成本為每平方厘米50美分，比常用的藍寶石或碳化矽基座更便宜(碳化矽基座的成本為每平方厘米5美元至20美元)，大大降低了氮化鎵技術的成本。科學家們也可以使用矽製造出直徑為30厘米的大晶圓，用藍寶石或碳化矽則無法做到這些。

性能

氮化鎵具有良好的耐熱性能，因此由其製成的動力電子設備幾乎不需要冷卻。博羅內斯表示，如果移動通訊基站配備氮化鎵電晶體，運營商將不再需要高能耗的冷卻系統。照明能耗約占全球能耗的20%，用氮化鎵製成的一個5瓦的燈泡與傳統60瓦的白熾燈一樣明亮，因此，氮化鎵有助於為照明領域節省大量能源。