氮化镓与碳化硅高温对决：氮化镓会后来居上吗？

在当今电子半导体领域，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）这两种宽带隙半导体材料，正展开一场激烈的角逐，目标是争夺能够在最高温度下稳定工作的电路应用市场。曾经，碳化硅芯片凭借其可达到 600°C 的工作温度，一度占据领先地位。然而，氮化镓凭借自身独特的物理特性，在高温环境下展现出了更为优异的性能，如今大有反超碳化硅之势。

宾夕法尼亚州立大学电气工程教授 Rongming Chu 带领的研究团队取得了一项具有里程碑意义的成果。他们成功设计出一款能够在 800°C 高温下稳定工作的氮化镓芯片，要知道，这个温度足以融化食盐。这一突破对于未来的太空探测器、喷气发动机、制药工艺以及众多需要在极端条件下运行电路的应用领域而言，具有不可估量的价值。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，此前碳化硅高温芯片的出现，让科学家得以将传感器放置在以往难以企及的位置。而如今，氮化镓芯片有望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，以及一些尚未被发掘的系统中发挥同样关键的作用。他形象地说道：“我们可以将这种电子设备放置在硅根本无法想象的地方。”

碳化硅和氮化镓之所以能够在极端高温条件下展现出良好的性能潜力，得益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。在高温环境下，带隙较窄的材料中的电子容易被激发到导带，这会导致晶体管无法正常关闭。而碳化硅和氮化镓的宽带隙需要更多的能量才能将电子激发到导带，从而保证晶体管在高温环境下不会意外地一直处于开启状态。

与碳化硅相比，氮化镓还具有一些独特的优势，使其芯片在高温条件下的性能更为出色。Chu 团队本月在《IEEE 电子设备快报》上发表的研究成果中，介绍了他们所研发的集成电路，该电路由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，这种结构能够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）。2DEG 具有极高的电子浓度和极小的移动阻力，这使得电荷在其中的移动速度更快，晶体管能够更迅速地响应电压变化，并在导通和截止状态之间实现快速切换。此外，更快的电子移动速度还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 则更加困难，这也使得碳化硅芯片在性能上难以达到氮化镓器件的水平。

为了使 GaN HEMT 能够在 800°C 的高温下稳定工作，Chu 教授的研究生 Yixin Xiong 对其结构进行了一系列精心调整。其中一项重要措施是最大限度地降低漏电流，即即使在晶体管应该关闭的情况下也会潜入的电荷。他们通过使用钽硅化物阻挡层来保护器件组件免受环境影响，并防止器件侧面的金属外层接触二维电子气（2DEG），因为接触 2DEG 会进一步增加漏电流和晶体管的不稳定性。

尽管氮化镓芯片在高温性能方面表现出色，但与碳化硅相比，其长期可靠性仍存在一定的疑虑。曼图斯教授指出，人们一直担心氮化镓在 500℃及以上的极端温度下会出现微裂纹，而这种现象在碳化硅中并不常见，因此氮化镓可能存在可靠性问题。Chu 教授也承认，长期可靠性是氮化镓芯片有待改进的一个重要领域。他表示：“我们可以做一些技术改进，一是提高它在高温下的可靠性。目前，我们可以在 800℃的温度下保持大概 1 小时。”

Xiong 先生表示，要进一步改进该器件，仍有许多工作要做。除了降低漏电流外，钽硅化物阻挡层的另一个作用是防止器件中的钛与 AlGaN 薄膜发生潜在反应，从而破坏二维电子气（2DEG）。他的最终目标是将钛从器件中完全去除。

尽管氮化镓芯片存在潜在的寿命挑战，但该团队的研究成果仍然突破了电子设备运行的极限。例如，在金星表面，其环境温度高达 470℃，而 GaN 芯片的新温度记录使其有望应用于金星探测器中的电子设备。此外，800℃对于高超音速飞机和武器来说也具有重要意义，因为它们在高速飞行时产生的摩擦可使表面温度升至 1500℃或更高。曼图斯教授解释说：“很多人没有意识到，当你以 2 马赫或 3 马赫的速度飞行时，空气摩擦会在机翼前缘形成一个极端环境…… 而雷达和其他处理设备就位于那里。这些应用正是美国国防部对耐极端温度电子产品感兴趣的原因。”

谈到未来的计划，Chu 教授表示，下一步是 “扩大设备规模，使其运行速度更快”。他认为，由于能够在如此极端温度下工作的芯片供应商非常少，该芯片可能很快就会实现商业化。“我认为它已经相当成熟了。虽然它还需要一些改进，但高温电子产品的优势在于，它目前没有其他选择。” 然而，氮化镓电路战胜碳化硅的局面可能不会持续太久。曼图斯的实验室也在致力于制造高温芯片，并正在努力使碳化硅达到 Chu 团队所打造芯片的高温水平。“我们将制造电路，尝试用碳化硅达到同样的温度。” 曼图斯说。目前，这场激烈的竞争仍在持续升温，究竟谁将最终胜出，让我们拭目以待。