氮化镓，正在反超SiC？

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两种半导体——碳化硅和氮化镓——正展开一场（毫不夸张地说）激烈的竞争，争夺能够在最高温度下工作的电路。碳化硅芯片曾一度占据领先地位，工作温度可达600°C。但氮化镓凭借其独特的特性，使其在高温下性能更佳，现已超越碳化硅。宾夕法尼亚州立大学电气工程教授 Rongming Chu领导的研究人员设计出一款可在800°C（足以融化食盐）下工作的氮化镓芯片。

这项进展可能对未来的太空探测器、喷气发动机、制药工艺以及许多其他需要极端条件下电路的应用至关重要。阿肯色大学电气工程与计算机科学教授艾伦·曼图斯（Alan Mantooth）表示，碳化硅高温芯片使科学家能够将传感器放置在以前无法放置的位置。曼图斯并未参与这项新的氮化镓研究成果。他解释说，氮化镓芯片可以在监测天然气涡轮机、化工厂和炼油厂的能源密集型制造工艺以及迄今为止尚未有人想到的系统方面发挥同样的作用。

他说：“我们可以将这种电子设备放置在硅根本无法想象的地方。”

碳化硅和氮化镓在如此极端条件下的性能潜力都来自于它们的宽带隙。宽带隙是材料价带（电子与分子结合的位置）和导带（电子可以自由地参与电流流动的位置）之间的能隙。在高温下，带隙较窄的材料中的电子总是被激发到足以到达导带。这给晶体管带来了问题，因为它们将无法关闭。碳化硅和氮化镓的宽带隙需要更多的能量来将电子激发到导带，这样晶体管就不会在高温环境下意外地总是处于开启状态。

与碳化硅相比，氮化镓还具有一些独特的特性，使其芯片在高温条件下性能更佳。Chu 团队本月在《IEEE 电子设备快报》上描述了他们的集成电路，该集成电路由所谓的氮化镓高电子迁移率晶体管 (HEMT)组成。GaN HEMT 的结构包括一层氮化铝镓薄膜和一层氮化镓。该结构将电子吸引到两种材料之间的界面。

这层电子被称为二维电子气（2DEG），浓度极高，移动阻力极小。这意味着电荷在2DEG中移动速度更快，使得晶体管能够响应电压变化，并在导通和截止状态之间更快地切换。更快的电子移动速度也使得晶体管能够在给定电压下承载更大的电流。使用碳化硅制造2DEG更加困难，这使得其芯片更难以达到氮化镓器件的性能。

Chu教授的研究生Yixin Xiong解释说，为了使GaN HEMT能够在800°C下工作，需要对其结构进行一些调整。其中一些措施包括最大限度地降低漏电流，即即使在晶体管应该关闭的情况下也会潜入的电荷。他们通过使用钽硅化物阻挡层来保护器件组件免受环境影响，并防止器件侧面的金属外层接触二维电子气（2DEG），因为接触二维电子气会进一步增加漏电流和晶体管的不稳定性。

Chu表示，芯片的研发和制造过程比他预想的要快得多。团队原本对实验的成功充满信心，他说。但结果“比我最好的猜测还要快，”他说。

尽管氮化镓具有显著的优势，但与碳化硅相比，曼图斯对其长期可靠性仍心存疑虑。他解释说：“人们一直担心氮化镓在500℃及以上的极端温度下会出现微裂纹，而碳化硅中并不一定会出现这种现象，因此氮化镓可能存在可靠性问题。”

Chu教授也认为长期可靠性是一个有待改进的领域，他表示：“我们可以做一些技术改进：一是提高它在高温下的可靠性。目前，我认为我们可以在 800 ℃ 的温度下保持大概 1 小时。”

Xiong先生表示，要改进该器件，还有很多工作要做。他解释说，除了最大限度地降低漏电流外，钽硅化物阻挡层的另一个作用是防止器件中的钛与AlGaN薄膜发生潜在反应，从而破坏二维电子气（2DEG）。Xiong先生最终希望将钛从器件中完全去除。“我想说，最终目标是不再依赖钛，”他总结道。

尽管存在潜在的寿命挑战，该团队的芯片仍在突破电子设备运行的极限，例如在金星表面。“如果你能在800℃下保持1小时，那就意味着在600℃或700℃下，你可以保持更长时间，”朱棣文解释道。金星的环境温度为470℃，因此GaN的新温度记录可能对金星探测器中的电子设备有用。

曼图斯解释说， 800 ℃ 这个数字对于高超音速飞机和武器来说也很重要。它们的极高速度产生的摩擦可使表面温度升至1,500 ℃或更高。“很多人没有意识到的是，当你以 2 马赫或 3 马赫的速度飞行时，空气摩擦会在机翼前缘形成一个极端环境……你猜怎么着？你的雷达就位于那里。其他处理设备也位于那里。这些应用正是美国国防部对耐极端温度电子产品感兴趣的原因，”曼图斯说。

谈到未来的计划，Chu表示，下一步是“扩大设备规模，使其运行速度更快”。他还认为，由于能够在如此极端温度下工作的芯片供应商非常少，该芯片可能很快就会实现商业化。“我认为它已经相当成熟了。虽然它还需要一些改进，但高温电子产品的优势在于，它目前没有其他选择，”他说道。

然而，氮化镓电路战胜碳化硅的局面可能不会持续太久。曼图斯的实验室也制造高温芯片，并正在努力使碳化硅达到Chu打造芯片的高温水平。“我们将制造电路，尝试用碳化硅达到同样的温度，”曼图斯说。虽然目前尚不清楚谁将最终胜出，但至少有一件事是肯定的：竞争仍在升温。