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高性能氮化鎵晶體管研制成功

發(fā)布時(shí)間:2011-10-11 來源:科技日?qǐng)?bào)

新聞事件:

  • 法國(guó)和瑞士科學(xué)家研制成功高性能氮化鎵晶體

事件影響:

  • 科學(xué)家可據(jù)高性能氮化鎵晶體管研制出混合電子元件
  • 氮化鎵晶體管可使計(jì)算機(jī)、手機(jī)及動(dòng)力電子設(shè)備更高效

據(jù)悉,法國(guó)和瑞士科學(xué)家首次使用氮化鎵在(100)-硅(晶體取向?yàn)?00)基座上,成功制造出了性能優(yōu)異的高電子遷徙率晶體管(HEMTs)。此前,氮化鎵只能用于(111)-硅上,而目前廣泛使用的由硅制成的互補(bǔ)性金屬氧化半導(dǎo)體(CMOS)芯片一般在(100)-硅或(110)-硅晶圓上制成。這表明,新晶體管能同由(110)-硅制成的CMOS芯片兼容,科學(xué)家可據(jù)此研制出兼具CMOS芯片的計(jì)算能力和氮化鎵晶體管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(shè)備。

晶體管主要由硅制成,用在高電壓電路中,其作用是計(jì)算以及增強(qiáng)電子射頻信號(hào)。瑞士蘇黎世聯(lián)邦高等工學(xué)院(ETH)的科倫坡·博羅內(nèi)斯說:“硅是上帝賜予工程師們的禮物。硅不僅是做基座,也是做半導(dǎo)體和芯片的基本材料。”

然而,硅也有缺陷。當(dāng)溫度超過200攝氏度后,硅基設(shè)備開始出故障。氮化鎵晶體管能應(yīng)對(duì)1000攝氏度以上的高溫;其能應(yīng)對(duì)的電場(chǎng)強(qiáng)度也是硅的50多倍,這使科學(xué)家們可用氮化鎵制造出更快的電子線路。博羅內(nèi)斯說:“這一點(diǎn)對(duì)于通訊來說尤為重要,因?yàn)楣こ處焸兡芙璐烁旄行У靥幚硇畔ⅰ?rdquo;

但科學(xué)家們一直認(rèn)為氮化鎵技術(shù)太過昂貴,不能取代硅技術(shù)。不過,最近工程師們開始利用氮化鎵在構(gòu)建動(dòng)力電子設(shè)備方面的優(yōu)勢(shì),希冀研發(fā)出更快、更耐熱、能效更高的晶體管。

因?yàn)榈壓凸柽@兩種材料的屬性不同,很難將兩者結(jié)合在一個(gè)晶圓上,并且在加熱過程中可能也會(huì)產(chǎn)生裂痕。不過,在最新研究中,博羅內(nèi)斯和法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心的科學(xué)家成功地將氮化鎵種植在(100)-硅晶圓上,制造出了新的氮化鎵晶體管,也解決了高溫可能產(chǎn)生裂痕的問題。

(100)-硅基座的成本為每平方厘米50美分,比常用的藍(lán)寶石或碳化硅基座更便宜(碳化硅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(shù)的成本??茖W(xué)家們也可以使用硅制造出直徑為30厘米的大晶圓,用藍(lán)寶石或碳化硅則無法做到這些。

另外,氮化鎵具有良好的耐熱性能,因此由其制成的動(dòng)力電子設(shè)備幾乎不需要冷卻。博羅內(nèi)斯表示,如果移動(dòng)通訊基站配備氮化鎵晶體管,運(yùn)營(yíng)商將不再需要高能耗的冷卻系統(tǒng)。照明能耗約占全球能耗的20%,用氮化鎵制成的一個(gè)5瓦的燈泡與傳統(tǒng)60瓦的白熾燈一樣明亮,因此,氮化鎵有助于為照明領(lǐng)域節(jié)省大量能源。

科學(xué)家們也已證明,氮化鎵晶體管能更快發(fā)光,且頻率可高達(dá)205G赫茲,足以使計(jì)算機(jī)、手機(jī)以及動(dòng)力電子設(shè)備更快、更小且更經(jīng)濟(jì)。
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