氮化镓会反超SiC吗?_pcimasia氮化镓展

在半导体领域，一场激烈的竞争正在悄然上演，主角是两种极具潜力的材料：碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)。它们争夺的焦点是在极端高温条件下工作的电路。碳化硅芯片曾一度占据领先地位，其工作温度可达 600°C。然而，氮化镓凭借其独特的特性，在高温性能方面更胜一筹，如今已超越碳化硅。宾夕法尼亚州立大学电气工程教授 Rongming Chu 领导的研究团队设计出一款可在 800°C(足以融化食盐)下工作的氮化镓芯片，这一突破性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)指出，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。尽管曼图斯并未参与这项新的氮化镓研究成果，但他解释说，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。

宽带隙：高温性能的关键

碳化硅和氮化镓在极端高温条件下的性能潜力都源于它们的宽带隙特性。宽带隙是指材料价带(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容易被激发到导带，这给晶体管带来了问题，因为它们将无法关闭。而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，从而避免了晶体管在高温环境下意外地总是处于开启状态。

氮化镓的独特优势

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，这种结构将电子吸引到两种材料之间的界面，形成所谓的二维电子气(2DEG)。

这层二维电子气的浓度极高，移动阻力极小，这意味着电荷在 2DEG 中移动速度更快。因此，晶体管能够更快地响应电压变化，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。相比之下，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。

未来展望：氮化镓的潜力与挑战

尽管氮化镓在高温性能方面表现出色，但要完全取代碳化硅仍面临诸多挑战。碳化硅技术已经相对成熟，且在一些应用中已经得到了广泛验证。此外，碳化硅的制造成本相对较低，这在大规模应用中是一个重要的考虑因素。然而，氮化镓的快速发展和不断突破，无疑为未来的高温应用提供了更多的可能性。

随着技术的不断进步，氮化镓在高温、高频和高功率应用中的优势将更加明显。例如，在航空航天、军事和能源领域，氮化镓芯片的高性能和高可靠性将为这些行业带来巨大的技术进步。同时，氮化镓技术的进一步发展也将推动相关产业链的升级，包括材料制造、芯片设计和封装等环节。

氮化镓是否会反超碳化硅，目前还难以定论。但可以肯定的是，氮化镓的崛起将为半导体行业带来新的活力和机遇，推动整个行业向更高性能、更高效能的方向发展。未来，碳化硅和氮化镓可能会在不同的应用领域各展所长，共同推动科技的进步和创新。

来源：pcimasia氮化镓展

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