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GaN-on-silicon晶体管速度更快体积更小
2011-10-24
利用硅（110）晶片上的GaN，法国CNRS和苏黎世ETH的科学家已经成功制造了高性能、高电子迁移率的晶体管（HEMT）。此类晶体管可与使用相同晶体取向的硅的CMOS芯片兼容。
CMOS芯片通常在具有（100）或（110）晶体取向的硅的表面生成。但是，到目前为止，GaN仅可用于硅（111）晶片上。这项新的研究成果使得生产混合电子元器件成为可能，这种混合电子元器件不仅具有CMOS晶片计算能力，还具有氮化镓晶体管的功率处理能力，这就意味着功率电子器件能做得更紧凑。
法国CNRS和苏黎世ETH的科学家已经成功生产了由硅（110）晶圆上的氮化镓组成的高性能、高电子迁移率的晶体管（HEMT）。（图：由C. Bolognesi / ETH Zürich提供）
晶体管常用在高压线路，用于计算和放大电子射频信号。到目前为止，晶体管最主要是由硅组成的。然而，最近，电气工程师开始研究功率电子器件中GaN的优势，以便开发速度更快、耐高温并且能效更高的晶体管。
氮化镓技术曾被视为过于昂贵的技术，以至于根本无法取代硅技术。然而， Bolognesi和他的法国同事成功地实现了在硅片上生长GaN，从而使这种技术变得更为经济。至于基板，他们则使用具有某个特定晶体取向的纯硅作为基板。例如硅（110），它的基板成本大约每平方厘米50美分，这比通常采用的蓝宝石或碳化硅基板便宜得多，碳化硅基板每平方厘米大约5美元，甚至达到20美元。
而且，使用硅可以制造出直径达30厘米的大尺寸晶园，而蓝宝石和碳化硅是实现不了这一点的。但是，由于GaN和硅有着不同的材料属性，所以在一片晶圆上很难结合两种材料。例如，在加热时，由于材质膨胀的程度不同，就会产生裂缝。然而，随着扩大到不同的程度，GaN和硅在加热时可能会产生不同程度的裂缝。但是，法国研究同事Colombo Bolognes现在已经找到了在硅（110）上生长GaN的方法，已经解决了上述这个问题。
“世界上的晶体管大多数仍是以硅为材料” Bolognesi说。半导体不仅仅作为基板，也是晶体管和芯片构成的基本材料�！暗缱硬分械拇蟛糠制骷际怯晒韫钩傻�。硅真是一个神奇的材料，”苏黎世ETH教授再次强调地说；“是上帝恩赐给工程师的礼物”
但是，硅也有其缺点。由硅构成的元器件在超过200℃高温时便开始发生故障。然而，GaNe晶体管可以承受高达1000℃的温度。这使得这种材料在制造某些特定应用领域的器件时非常具有吸引力，例如，汽车引擎用的传感器。
此外，GaN可以承受比硅强15倍的强电场；在GaN中电子的移动速度也比在硅中要快，可以实现更快的电路系统�！罢舛杂谛畔⑿枰焖儆行Т淼牡缧庞τ糜绕渲匾！� Bolognesi说。
由于GaN的耐热性，由GaN构成的电力电子设备几乎不需要冷却。例如，如果移动通信设备的基站采用GaN晶体管，供应商就不需要超级耗电的冷却系统了。而且，传通的基站需要输入10千瓦 才可以输出1千瓦。
“能源被大量浪费，最后环境和消费者都将付出高昂的代价” Bolognesi说。如果硅电子产品被GaN-Si电子产品代替，就可以节约许多能源。按照苏黎世ETH教授的想法，氮化镓将被用于更多的电子领域，尤其是功率电子器件中。
此外，GaN还有助于节约照明用电，而照明用电目前大约占据全球五分之一的电力消耗。一个用GaN制造的5瓦的LED灯与一个传统的60瓦的灯泡产生的光量一样，这将带来极大的能源节约，Bolognesi强调说。
在家用电器中也同样使用电压转换。当一台电脑插到230伏的插座时，设备内的转换器即会给芯片提供正确的电压；如果采用GaN技术，这样的转换器还可以更高效节能。据专家估算如果采用智能的能源消耗方式，全球的能耗将可以降低四分之一
更重要的是，GaN晶体管可以快如闪电且允许高达205千兆赫兹的频率，对于制造计算机、手机以及更快更小更经济的功率电子绰绰有余。
“从技术上说，任何东西都有可能使这门技术实现突破。现在缺少的是希望在市场上推出氮化镓硅电子器件的一个工业合作伙伴，” 苏黎世ETH的教授说。对于Bolognesi来说，他很清楚为什么电信公司还没有转换到GaN技术上，“技术上的转换需要花费金钱�！�
按照理想状态，在电子设备中，必要时GaN可以取代硅器件。因此，Bolognesi希望此次转变有来自政治舞台的支持：例如，引入严格的CO2排放准则，将鼓励公司减低本公司的能源消耗。例如，将鼓励电信公司投资绿色技术以减少CO 2排放量。
这项工作的更多详细资料可以参考“ RF Performance of AlGaN/GaN High-Electron-Mobility Transistors Grown on Silicon (110)” by D. Marti et al in Applied Physics Express 4 (2011) 064105. DOI: 10.1143/APEX.4.064105
CMOS芯片通常在具有（100）或（110）晶体取向的硅的表面生成。但是，到目前为止，GaN仅可用于硅（111）晶片上。这项新的研究成果使得生产混合电子元器件成为可能，这种混合电子元器件不仅具有CMOS晶片计算能力，还具有氮化镓晶体管的功率处理能力，这就意味着功率电子器件能做得更紧凑。
法国CNRS和苏黎世ETH的科学家已经成功生产了由硅（110）晶圆上的氮化镓组成的高性能、高电子迁移率的晶体管（HEMT）。（图：由C. Bolognesi / ETH Zürich提供）
晶体管常用在高压线路，用于计算和放大电子射频信号。到目前为止，晶体管最主要是由硅组成的。然而，最近，电气工程师开始研究功率电子器件中GaN的优势，以便开发速度更快、耐高温并且能效更高的晶体管。
氮化镓技术曾被视为过于昂贵的技术，以至于根本无法取代硅技术。然而， Bolognesi和他的法国同事成功地实现了在硅片上生长GaN，从而使这种技术变得更为经济。至于基板，他们则使用具有某个特定晶体取向的纯硅作为基板。例如硅（110），它的基板成本大约每平方厘米50美分，这比通常采用的蓝宝石或碳化硅基板便宜得多，碳化硅基板每平方厘米大约5美元，甚至达到20美元。
而且，使用硅可以制造出直径达30厘米的大尺寸晶园，而蓝宝石和碳化硅是实现不了这一点的。但是，由于GaN和硅有着不同的材料属性，所以在一片晶圆上很难结合两种材料。例如，在加热时，由于材质膨胀的程度不同，就会产生裂缝。然而，随着扩大到不同的程度，GaN和硅在加热时可能会产生不同程度的裂缝。但是，法国研究同事Colombo Bolognes现在已经找到了在硅（110）上生长GaN的方法，已经解决了上述这个问题。
“世界上的晶体管大多数仍是以硅为材料” Bolognesi说。半导体不仅仅作为基板，也是晶体管和芯片构成的基本材料�！暗缱硬分械拇蟛糠制骷际怯晒韫钩傻�。硅真是一个神奇的材料，”苏黎世ETH教授再次强调地说；“是上帝恩赐给工程师的礼物”
但是，硅也有其缺点。由硅构成的元器件在超过200℃高温时便开始发生故障。然而，GaNe晶体管可以承受高达1000℃的温度。这使得这种材料在制造某些特定应用领域的器件时非常具有吸引力，例如，汽车引擎用的传感器。
此外，GaN可以承受比硅强15倍的强电场；在GaN中电子的移动速度也比在硅中要快，可以实现更快的电路系统�！罢舛杂谛畔⑿枰焖儆行Т淼牡缧庞τ糜绕渲匾！� Bolognesi说。
由于GaN的耐热性，由GaN构成的电力电子设备几乎不需要冷却。例如，如果移动通信设备的基站采用GaN晶体管，供应商就不需要超级耗电的冷却系统了。而且，传通的基站需要输入10千瓦 才可以输出1千瓦。
“能源被大量浪费，最后环境和消费者都将付出高昂的代价” Bolognesi说。如果硅电子产品被GaN-Si电子产品代替，就可以节约许多能源。按照苏黎世ETH教授的想法，氮化镓将被用于更多的电子领域，尤其是功率电子器件中。
此外，GaN还有助于节约照明用电，而照明用电目前大约占据全球五分之一的电力消耗。一个用GaN制造的5瓦的LED灯与一个传统的60瓦的灯泡产生的光量一样，这将带来极大的能源节约，Bolognesi强调说。
在家用电器中也同样使用电压转换。当一台电脑插到230伏的插座时，设备内的转换器即会给芯片提供正确的电压；如果采用GaN技术，这样的转换器还可以更高效节能。据专家估算如果采用智能的能源消耗方式，全球的能耗将可以降低四分之一
更重要的是，GaN晶体管可以快如闪电且允许高达205千兆赫兹的频率，对于制造计算机、手机以及更快更小更经济的功率电子绰绰有余。
“从技术上说，任何东西都有可能使这门技术实现突破。现在缺少的是希望在市场上推出氮化镓硅电子器件的一个工业合作伙伴，” 苏黎世ETH的教授说。对于Bolognesi来说，他很清楚为什么电信公司还没有转换到GaN技术上，“技术上的转换需要花费金钱�！�
按照理想状态，在电子设备中，必要时GaN可以取代硅器件。因此，Bolognesi希望此次转变有来自政治舞台的支持：例如，引入严格的CO2排放准则，将鼓励公司减低本公司的能源消耗。例如，将鼓励电信公司投资绿色技术以减少CO 2排放量。
这项工作的更多详细资料可以参考“ RF Performance of AlGaN/GaN High-Electron-Mobility Transistors Grown on Silicon (110)” by D. Marti et al in Applied Physics Express 4 (2011) 064105. DOI: 10.1143/APEX.4.064105
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