研發報告詳細內容

高性能氮化鎵電晶體研製成功

2011-9-23

據國外媒體報導,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(HEMT)。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晶片相容,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。

       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)的可倫坡·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,因為工程師們能借此更快更有效地處理資訊。”

       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釐米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釐米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釐米的大晶圓,用藍寶石或碳化矽則無法做到這些。

       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。

       科學家們也已證明,氮化鎵電晶體能更快發光,且頻率可高達205G赫茲,足以使電腦、手機以及動力電子設備更快、更小且更經濟。

      來源:科技日報

      


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