氮化镓芯片新突破：实现 800°C 高温工作

在当今的半导体领域，碳化硅和氮化镓正展开一场激烈的竞争。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，在高温环境下展现出了更佳的性能潜力，有望超越碳化硅。

宾夕法尼亚州立大学电气工程朱教授领导的研究团队取得了一项重大突破，他们成功设计出一款可在 800°C 下工作的氮化镓芯片。这一进展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来说，具有至关重要的意义。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往无法触及的位置。他认为，氮化镓芯片同样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，以及一些尚未被发掘的系统中发挥重要作用。他形象地表示：“我们可以将这种电子设备放置在硅根本无法想象的地方。”

碳化硅和氮化镓在极端条件下的出色性能，都源于它们的宽带隙特性。宽带隙指的是材料价带（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，氮化镓还具备一些独特的优势，使其芯片在高温条件下性能更为卓越。Chu 团队本月在《IEEE 电子设备快报》上详细描述了他们的集成电路，该电路由氮化镓高电子迁移率晶体管 (HEMT) 组成。GaN HEMT 的结构包含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）。二维电子气具有极高的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。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，使用碳化硅制造二维电子气则更加困难，这也使得碳化硅芯片难以达到氮化镓器件的性能水平。

为了使 GaN HEMT 能够在 800°C 的高温下稳定工作，研究团队对其结构进行了一系列精心调整。其中一项关键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），因为这种接触会进一步增加漏电流和晶体管的不稳定性。

尽管氮化镓具有显著的优势，但与碳化硅相比，曼图斯对其长期可靠性仍存在疑虑。他指出，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方面的问题。朱教授也承认，长期可靠性是一个有待改进的领域。他表示，目前可以通过一些技术改进来提高氮化镓在高温下的可靠性。例如，目前他们已经能够在 800℃的温度下保持芯片正常工作大概 1 小时。

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，钽硅化物阻挡层还能防止器件中的钛与 AlGaN 薄膜发生潜在反应，从而破坏二维电子气（2DEG）。尽管该芯片存在潜在的寿命挑战，但它仍然突破了电子设备运行的极限。例如，金星的环境温度为 470℃，GaN 芯片的新温度记录可能对金星探测器中的电子设备具有重要的应用价值。曼图斯还解释说，800℃这个温度对于高超音速飞机和武器也至关重要，因为它们极高的速度产生的摩擦可使表面温度升至 1,500℃或更高。

谈到未来的计划，朱教授表示，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。他乐观地表示：“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积极制造高温芯片，并致力于使碳化硅达到朱教授芯片的高温水平。他表示：“我们将制造电路，尝试用碳化硅达到同样的温度。” 虽然目前尚不清楚这场竞争谁将最终胜出，但可以肯定的是，碳化硅和氮化镓之间的竞争正在不断升温。