高性能氮化镓晶体管研制成功

2011-9-23 11:03 来源: 中国科学院
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  据美国物理学家组织网9月22日(北京时间)报道,法国和瑞士科学家首次使用氮化镓在(100)-硅(晶体取向为100)基座上,成功制造出了性能优异的高电子迁徙率晶体管(HEMTs)。此前,氮化镓只能用于(111)-硅上,而目前广泛使用的由硅制成的互补性金属氧化半导体(CMOS)芯片一般在(100)-硅或(110)-硅晶圆上制成。这表明,新晶体管能同由(110)-硅制成的CMOS芯片兼容,科学家可据此研制出兼具CMOS芯片的计算能力和氮化镓晶体管大功率容量的混合电子元件,以获得更小更快、能耗更低的电子设备

  晶体管主要由硅制成,用在高电压电路中,其作用是计算以及增强电子射频信号。瑞士苏黎世联邦高等工学院(ETH)的科伦坡·博罗内斯说:“硅是上帝赐予工程师们的礼物。硅不仅是做基座,也是做半导体和芯片的基本材料。”

  然而,硅也有缺陷。当温度超过200摄氏度后,硅基设备开始出故障。氮化镓晶体管能应对1000摄氏度以上的高温;其能应对的电场强度也是硅的50多倍,这使科学家们可用氮化镓制造出更快的电子线路。博罗内斯说:“这一点对于通讯来说尤为重要,因为工程师们能借此更快更有效地处理信息。”

  但科学家们一直认为氮化镓技术太过昂贵,不能取代硅技术。不过,最近工程师们开始利用氮化镓在构建动力电子设备方面的优势,希冀研发出更快、更耐热、能效更高的晶体管。

  因为氮化镓和硅这两种材料的属性不同,很难将两者结合在一个晶圆上,并且在加热过程中可能也会产生裂痕。不过,在最新研究中,博罗内斯和法国国家科学研究中心的科学家成功地将氮化镓种植在(100)-硅晶圆上,制造出了新的氮化镓晶体管,也解决了高温可能产生裂痕的问题。

  (100)-硅基座的成本为每平方厘米50美分,比常用的蓝宝石或碳化硅基座更便宜(碳化硅基座的成本为每平方厘米5美元至20美元),大大降低了氮化镓技术的成本。科学家们也可以使用硅制造出直径为30厘米的大晶圆,用蓝宝石或碳化硅则无法做到这些。

  另外,氮化镓具有良好的耐热性能,因此由其制成的动力电子设备几乎不需要冷却。博罗内斯表示,如果移动通讯基站配备氮化镓晶体管,运营商将不再需要高能耗的冷却系统。照明能耗约占全球能耗的20%,用氮化镓制成的一个5瓦的灯泡与传统60瓦的白炽灯一样明亮,因此,氮化镓有助于为照明领域节省大量能源。

  科学家们也已证明,氮化镓晶体管能更快发光,且频率可高达205G赫兹,足以使计算机、手机以及动力电子设备更快、更小且更经济。