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GaN-on-silicon電晶體速度更快體積更小

2011-10-24

利用矽(110)晶片上的GaN,法國CNRS和蘇黎世ETH的科學家已經成功製造了高性能、高電子遷移率的電晶體(HEMT)。此類電晶體可與使用相同晶體取向的矽的CMOS晶片相容。

      CMOS晶片通常在具有(100)或(110)晶體取向的矽的表面生成。但是,到目前為止,GaN僅可用於矽(111)晶片上。這項新的研究成果使得生產混合電子元器件成為可能,這種混合電子元器件不僅具有CMOS晶片計算能力,還具有氮化鎵電晶體的功率處理能力,這就意味著功率電子器件能做得更緊湊。

      法國CNRS和蘇黎世ETH的科學家已經成功生產了由矽(110)晶圓上的氮化鎵組成的高性能、高電子遷移率的電晶體(HEMT)。(圖:由C. Bolognesi / ETH Zurich提供)

      電晶體常用在高壓線路,用於計算和放大電子射頻信號。到目前為止,電晶體最主要是由矽組成的。然而,最近,電氣工程師開始研究功率電子器件中GaN的優勢,以便開發速度更快、耐高溫並且能效更高的電晶體。

      氮化鎵技術曾被視為過於昂貴的技術,以至於根本無法取代矽技術。然而, Bolognesi和他的法國同事成功地實現了在矽片上生長GaN,從而使這種技術變得更為經濟。至於基板,他們則使用具有某個特定晶體取向的純矽作為基板。例如矽(110),它的基板成本大約每平方釐米50美分,這比通常採用的藍寶石或碳化矽基板便宜得多,碳化矽基板每平方釐米大約5美元,甚至達到20美元。

      而且,使用矽可以製造出直徑達30釐米的大尺寸晶園,而藍寶石和碳化矽是實現不了這一點的。但是,由於GaN和矽有著不同的材料屬性,所以在一片晶圓上很難結合兩種材料。例如,在加熱時,由於材質膨脹的程度不同,就會產生裂縫。然而,隨著擴大到不同的程度,GaN和矽在加熱時可能會產生不同程度的裂縫。但是,法國研究同事Colombo Bolognes現在已經找到了在矽(110)上生長GaN的方法,已經解決了上述這個問題。

      

      “世界上的電晶體大多數仍是以矽為材料” Bolognesi說。半導體不僅僅作為基板,也是電晶體和晶片構成的基本材料。“電子產品中的大部分器件都是由矽構成的。矽真是一個神奇的材料,”蘇黎世ETH教授再次強調地說;“是上帝恩賜給工程師的禮物”

      但是,矽也有其缺點。由矽構成的元器件在超過200℃高溫時便開始發生故障。然而,GaNe電晶體可以承受高達1000℃的溫度。這使得這種材料在製造某些特定應用領域的器件時非常具有吸引力,例如,汽車引擎用的感測器。

      此外,GaN可以承受比矽強15倍的強電場;在GaN中電子的移動速度也比在矽中要快,可以實現更快的電路系統。“這對於資訊需要快速有效處理的電信應用尤其重要。” Bolognesi說。

      由於GaN的耐熱性,由GaN構成的電力電子設備幾乎不需要冷卻。例如,如果移動通信設備的基站採用GaN電晶體,供應商就不需要超級耗電的冷卻系統了。而且,傳通的基站需要輸入10千瓦 才可以輸出1千瓦。

      “能源被大量浪費,最後環境和消費者都將付出高昂的代價” Bolognesi說。如果矽電子產品被GaN-Si電子產品代替,就可以節約許多能源。按照蘇黎世ETH教授的想法,氮化鎵將被用於更多的電子領域,尤其是功率電子器件中。

      此外,GaN還有助於節約照明用電,而照明用電目前大約佔據全球五分之一的電力消耗。一個用GaN製造的5瓦的LED燈與一個傳統的60瓦的燈泡產生的光量一樣,這將帶來極大的能源節約,Bolognesi強調說。

      在家用電器中也同樣使用電壓轉換。當一台電腦插到230伏的插座時,設備內的轉換器即會給晶片提供正確的電壓;如果採用GaN技術,這樣的轉換器還可以更高效節能。據專家估算如果採用智慧的能源消耗方式,全球的能耗將可以降低四分之一

      更重要的是,GaN電晶體可以快如閃電且允許高達205千兆赫茲的頻率,對於製造電腦、手機以及更快更小更經濟的功率電子綽綽有餘。

      

      “從技術上說,任何東西都有可能使這門技術實現突破。現在缺少的是希望在市場上推出氮化鎵矽電子器件的一個工業合作夥伴,” 蘇黎世ETH的教授說。對於Bolognesi來說,他很清楚為什麼電信公司還沒有轉換到GaN技術上,“技術上的轉換需要花費金錢。”

      按照理想狀態,在電子設備中,必要時GaN可以取代矽器件。因此,Bolognesi希望此次轉變有來自政治舞臺的支持:例如,引入嚴格的CO2排放準則,將鼓勵公司減低本公司的能源消耗。例如,將鼓勵電信公司投資綠色技術以減少CO 2排放量。

      這項工作的更多詳細資料可以參考“ RF Performance of AlGaN/GaN High-Electron-Mobility Transistors Grown on Silicon (110)” by D. Marti et al in Applied Physics Express 4 (2011) 064105. DOI: 10.1143/APEX.4.064105


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