隨著世界在半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)ふ倚碌臋C(jī)遇，氮化鎵作為未來(lái)電源和射頻應(yīng)用的潛在候選者繼續(xù)脫穎而出。然而，盡管它提供了所有好處，但它仍然面臨著重大挑戰(zhàn)；沒(méi)有 P 型（P-type ）產(chǎn)品。為什么 GaN 被譽(yù)為下一個(gè)主要半導(dǎo)體材料，為什么缺乏 P 型 GaN 器件是一個(gè)主要缺點(diǎn)，這對(duì)未來(lái)的設(shè)計(jì)意味著什么？

要了解缺少 P 型 GaN 器件的影響，需要更深入地研究半導(dǎo)體物理以及 PN 結(jié)在電子器件中的作用。P 型和 N 型半導(dǎo)體之間的協(xié)同作用構(gòu)成了從二極管到晶體管的大多數(shù)電子元件的基礎(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)包括開(kāi)關(guān)、放大和調(diào)制在內(nèi)的多種功能。P 型 GaN 的缺乏限制了此類組件的設(shè)計(jì)和效率，需要替代或混合解決方案，而這些解決方案可能無(wú)法充分利用 GaN 的固有優(yōu)勢(shì)。

為什么 GaN 被譽(yù)為下一個(gè)主要半導(dǎo)體材料？

在電子領(lǐng)域，自從第一批電子設(shè)備上市以來(lái)，有四個(gè)事實(shí)一直存在：它們需要做得盡可能小，盡可能便宜，提供盡可能多的功率，并消耗盡可能少的功耗。考慮到這些要求常常相互矛盾，試圖創(chuàng)造出能夠滿足這四個(gè)要求的完美電子設(shè)備有點(diǎn)像是一個(gè)白日夢(mèng)，但這并沒(méi)有阻止工程師們盡一切努力去實(shí)現(xiàn)它。

利用這四個(gè)指導(dǎo)原則，工程師們成功地完成了各種看似不可能的任務(wù)，計(jì)算機(jī)從房間大小的設(shè)備縮小到比一粒米還小的芯片，允許無(wú)線通信和訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)的智能手機(jī)，以及現(xiàn)在可以獨(dú)立于主機(jī)佩戴和使用的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。然而，隨著工程師接近常用材料（例如硅）的物理極限，使設(shè)備變得更小并使用更少的功耗現(xiàn)在已成為不可能。

因此，研究人員不斷尋找可能能夠替代此類常見(jiàn)材料的新材料，并繼續(xù)提供運(yùn)行更高效的更小設(shè)備。氮化鎵 (GaN)是一種 引起許多人關(guān)注的材料，與硅相比，原因顯而易見(jiàn)。

氮化鎵的卓越效率

首先，GaN 的導(dǎo)電效率比硅高 1000 倍，使其能夠在更高的電流下工作。這意味著 GaN 器件能夠在顯著更高的功率下運(yùn)行，而不會(huì)產(chǎn)生太多熱量，從而在相同的給定功率下可以做得更小。

盡管 GaN 的熱導(dǎo)率略低于硅，但其熱管理優(yōu)勢(shì)為高功率電子產(chǎn)品開(kāi)辟了新途徑。這對(duì)于空間非常寶貴且需要最大限度地減少冷卻解決方案的應(yīng)用尤其重要，例如航空航天和汽車電子產(chǎn)品。GaN 器件在高溫下保持性能的能力進(jìn)一步凸顯了它們?cè)趷毫迎h(huán)境應(yīng)用中的潛力。

其次，GaN 的帶隙較大（3.4eV 與 1.1eV 相比），允許在介電擊穿之前在更高的電壓下使用。因此，GaN 不僅能夠提供更大的功率，而且可以在更高的電壓下提供，同時(shí)保持更高的效率。

高電子遷移率還允許 GaN 在更高的頻率下使用。這一因素使得 GaN 對(duì)于工作頻率遠(yuǎn)高于 GHz 范圍的射頻功率應(yīng)用至關(guān)重要（這是硅難以應(yīng)對(duì)的）。

然而，在導(dǎo)熱性方面，硅略好于 GaN，這意味著 GaN 器件比硅器件具有更大的熱要求。因此，導(dǎo)熱性的缺乏限制了在高功率下運(yùn)行時(shí)縮小 GaN 器件的能力（因?yàn)樾枰髩K材料來(lái)散熱）。

GaN 的致命弱點(diǎn)——沒(méi)有 P 型

擁有能夠在高頻下高功率運(yùn)行的半導(dǎo)體固然很好，但盡管 GaN 提供了所有優(yōu)勢(shì)，但有一個(gè)主要缺點(diǎn)嚴(yán)重阻礙了其在眾多應(yīng)用中替代硅的能力：缺乏 P -類型。

可以說(shuō)，這些新發(fā)現(xiàn)的材料的主要目的之一是大幅提高效率并支持更高的功率和電壓，毫無(wú)疑問(wèn)當(dāng)前的 GaN 晶體管可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。然而，雖然單個(gè) GaN 晶體管確實(shí)能夠提供一些令人印象深刻的特性，但當(dāng)前所有商用 GaN 器件都是 N 型的這一事實(shí)影響了它們極其高效的能力。

為了理解為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況，我們需要看看 NMOS 和 CMOS 邏輯是如何工作的。由于其簡(jiǎn)單的制造工藝和設(shè)計(jì)，NMOS 邏輯在 20 世紀(jì) 70 年代和 80 年代是一種非常流行的技術(shù)。通過(guò)使用連接在N型MOS晶體管的電源和漏極之間的單個(gè)電阻，該晶體管的柵極能夠控制MOS晶體管的漏極的電壓，從而有效地實(shí)現(xiàn)非門。如果與其他 NMOS 晶體管結(jié)合，就可以創(chuàng)建所有邏輯元件，包括 AND、OR、XOR 和鎖存器。

然而，雖然這項(xiàng)技術(shù)很簡(jiǎn)單，但它使用電阻器來(lái)提供功率，這意味著當(dāng) NMOS 晶體管導(dǎo)通時(shí)，大量的功率會(huì)浪費(fèi)在電阻器上。對(duì)于單個(gè)門，這種功率損耗是最小的，但是當(dāng)擴(kuò)展到小型 8 位 CPU 時(shí)，這種功率損耗可能會(huì)增加，從而使器件變熱并限制單個(gè)芯片上的活動(dòng)器件的數(shù)量。

從 NMOS 到 CMOS 技術(shù)的演變

另一方面，CMOS 采用 P 型和 N 型晶體管，它們以相反的方式協(xié)同工作。無(wú)論CMOS邏輯門的輸入狀態(tài)如何，門的輸出都不允許從電源連接到地，從而顯著降低功率損耗（就像當(dāng)N型導(dǎo)通時(shí)，P型絕緣，反之亦然） 。事實(shí)上，CMOS 電路中唯一真正的功率損耗是在狀態(tài)切換期間，其中通過(guò)互補(bǔ)對(duì)形成電源和接地之間的瞬時(shí)連接。

回到 GaN 器件，由于目前僅存在 N 型器件，因此目前 GaN 唯一可用的技術(shù)是 NMOS，而 NMOS 本身非常耗電。對(duì)于射頻放大器來(lái)說(shuō)，這不是問(wèn)題，但對(duì)于邏輯電路來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)主要缺點(diǎn)。

隨著全球能源消耗的不斷增加以及技術(shù)對(duì)環(huán)境的影響受到密切關(guān)注，對(duì)電子產(chǎn)品能源效率的追求變得前所未有的重要。NMOS技術(shù)在功耗方面的局限性凸顯了半導(dǎo)體材料迫切需要突破，以提供高性能和高能效。P 型 GaN 或替代互補(bǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)可能標(biāo)志著這一探索的一個(gè)重要里程碑，有可能徹底改變節(jié)能電子設(shè)備的設(shè)計(jì)。

有趣的是，完全有可能制造出 P 型 GaN 器件，并且這些器件已用于藍(lán)色 LED 光源，包括藍(lán)光，但雖然這些器件足以滿足光學(xué)電子器件的要求，但對(duì)于數(shù)字邏輯和電源應(yīng)用來(lái)說(shuō)，它們還遠(yuǎn)非理想系統(tǒng)。例如，用于制造 P 型 GaN 器件的唯一實(shí)用摻雜劑是鎂，但由于需要高濃度，氫在退火過(guò)程中很容易進(jìn)入結(jié)構(gòu)，從而影響材料的性能。

因此，由于目前還沒(méi)有 P 型 GaN 器件，工程師無(wú)法充分利用 GaN 作為半導(dǎo)體的潛力。

這對(duì)未來(lái)的工程師意味著什么？

目前，有許多材料正在研究中， 另一個(gè)主要應(yīng)用材料是碳化硅。與 GaN 一樣，與硅相比，它具有更高的工作電壓、更高的擊穿電壓和更好的導(dǎo)電性。此外，其高導(dǎo)熱性使其能夠在極端溫度下使用，并且尺寸明顯更小，同時(shí)控制更大的功率。

但與 GaN 不同的是，SiC 不適合高頻，這意味著它不太可能用于 RF 應(yīng)用。因此，GaN 仍然是尋求制造小型功率放大器的工程師的首選。解決P型問(wèn)題的一種解決方案是將GaN與P型硅MOS晶體管結(jié)合起來(lái)，雖然這確實(shí)提供了互補(bǔ)的能力，但它本質(zhì)上限制了GaN的頻率和效率。

隨著技術(shù)的進(jìn)步， 研究人員最終可能會(huì)找到 P 型 GaN 器件 或使用可與 GaN 結(jié)合的不同技術(shù)的互補(bǔ)器件。然而，在那一天到來(lái)之前，GaN 將繼續(xù)受到我們這個(gè)時(shí)代技術(shù)的限制。

半導(dǎo)體研究的跨學(xué)科性質(zhì)，涉及材料科學(xué)、電氣工程和物理學(xué)，強(qiáng)調(diào)了克服 GaN 技術(shù)當(dāng)前局限性所需的協(xié)作努力。開(kāi)發(fā) P 型 GaN 或?qū)ふ液线m的補(bǔ)充材料的潛在突破不僅可以增強(qiáng) GaN 基器件的性能，還有助于更廣泛的半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，為更高效、更緊湊和更可靠的電子系統(tǒng)鋪平道路將來(lái)。

審核編輯：黃飛

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