为什么GaN被誉为下一个主要半导体材料？

随着世界在半导体领域寻找新的机遇，氮化镓作为未来电源和射频应用的潜在候选者继续脱颖而出。然而，尽管它提供了所有好处，但它仍然面临着重大挑战；没有 P 型（P-type ）产品。为什么 GaN 被誉为下一个主要半导体材料，为什么缺乏 P 型 GaN 器件是一个主要缺点，这对未来的设计意味着什么？

要了解缺少 P 型 GaN 器件的影响，需要更深入地研究半导体物理以及 PN 结在电子器件中的作用。P 型和 N 型半导体之间的协同作用构成了从二极管到晶体管的大多数电子元件的基础，可实现包括开关、放大和调制在内的多种功能。P 型 GaN 的缺乏限制了此类组件的设计和效率，需要替代或混合解决方案，而这些解决方案可能无法充分利用 GaN 的固有优势。

为什么 GaN 被誉为下一个主要半导体材料？

在电子领域，自从第一批电子设备上市以来，有四个事实一直存在：它们需要做得尽可能小，尽可能便宜，提供尽可能多的功率，并消耗尽可能少的功耗。考虑到这些要求常常相互矛盾，试图创造出能够满足这四个要求的完美电子设备有点像是一个白日梦，但这并没有阻止工程师们尽一切努力去实现它。

利用这四个指导原则，工程师们成功地完成了各种看似不可能的任务，计算机从房间大小的设备缩小到比一粒米还小的芯片，允许无线通信和访问互联网的智能手机，以及现在可以独立于主机佩戴和使用的虚拟现实系统。然而，随着工程师接近常用材料（例如硅）的物理极限，使设备变得更小并使用更少的功耗现在已成为不可能。

因此，研究人员不断寻找可能能够替代此类常见材料的新材料，并继续提供运行更高效的更小设备。氮化镓 (GaN)是一种 引起许多人关注的材料，与硅相比，原因显而易见。

氮化镓的卓越效率

首先，GaN 的导电效率比硅高 1000 倍，使其能够在更高的电流下工作。这意味着 GaN 器件能够在显着更高的功率下运行，而不会产生太多热量，从而在相同的给定功率下可以做得更小。

尽管 GaN 的热导率略低于硅，但其热管理优势为高功率电子产品开辟了新途径。这对于空间非常宝贵且需要最大限度地减少冷却解决方案的应用尤其重要，例如航空航天和汽车电子产品。GaN 器件在高温下保持性能的能力进一步凸显了它们在恶劣环境应用中的潜力。

其次，GaN 的带隙较大（3.4eV 与 1.1eV 相比），允许在介电击穿之前在更高的电压下使用。因此，GaN 不仅能够提供更大的功率，而且可以在更高的电压下提供，同时保持更高的效率。

高电子迁移率还允许 GaN 在更高的频率下使用。这一因素使得 GaN 对于工作频率远高于 GHz 范围的射频功率应用至关重要（这是硅难以应对的）。

然而，在导热性方面，硅略好于 GaN，这意味着 GaN 器件比硅器件具有更大的热要求。因此，导热性的缺乏限制了在高功率下运行时缩小 GaN 器件的能力（因为需要大块材料来散热）。

GaN 的致命弱点——没有 P 型

拥有能够在高频下高功率运行的半导体固然很好，但尽管 GaN 提供了所有优势，但有一个主要缺点严重阻碍了其在众多应用中替代硅的能力：缺乏 P -类型。

可以说，这些新发现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电压，毫无疑问当前的 GaN 晶体管可以实现这一点。然而，虽然单个 GaN 晶体管确实能够提供一些令人印象深刻的特性，但当前所有商用 GaN 器件都是 N 型的这一事实影响了它们极其高效的能力。

为了理解为什么会出现这种情况，我们需要看看 NMOS 和 CMOS 逻辑是如何工作的。由于其简单的制造工艺和设计，NMOS 逻辑在 20 世纪 70 年代和 80 年代是一种非常流行的技术。通过使用连接在N型MOS晶体管的电源和漏极之间的单个电阻，该晶体管的栅极能够控制MOS晶体管的漏极的电压，从而有效地实现非门。如果与其他 NMOS 晶体管结合，就可以创建所有逻辑元件，包括 AND、OR、XOR 和锁存器。

然而，虽然这项技术很简单，但它使用电阻器来提供功率，这意味着当 NMOS 晶体管导通时，大量的功率会浪费在电阻器上。对于单个门，这种功率损耗是最小的，但是当扩展到小型 8 位 CPU 时，这种功率损耗可能会增加，从而使器件变热并限制单个芯片上的活动器件的数量。

从 NMOS 到 CMOS 技术的演变

另一方面，CMOS 采用 P 型和 N 型晶体管，它们以相反的方式协同工作。无论CMOS逻辑门的输入状态如何，门的输出都不允许从电源连接到地，从而显著降低功率损耗（就像当N型导通时，P型绝缘，反之亦然） 。事实上，CMOS 电路中唯一真正的功率损耗是在状态切换期间，其中通过互补对形成电源和接地之间的瞬时连接。

回到 GaN 器件，由于目前仅存在 N 型器件，因此目前 GaN 唯一可用的技术是 NMOS，而 NMOS 本身非常耗电。对于射频放大器来说，这不是问题，但对于逻辑电路来说，这是一个主要缺点。

随着全球能源消耗的不断增加以及技术对环境的影响受到密切关注，对电子产品能源效率的追求变得前所未有的重要。NMOS技术在功耗方面的局限性凸显了半导体材料迫切需要突破，以提供高性能和高能效。P 型 GaN 或替代互补技术的开发可能标志着这一探索的一个重要里程碑，有可能彻底改变节能电子设备的设计。

有趣的是，完全有可能制造出 P 型 GaN 器件，并且这些器件已用于蓝色 LED 光源，包括蓝光，但虽然这些器件足以满足光学电子器件的要求，但对于数字逻辑和电源应用来说，它们还远非理想系统。例如，用于制造 P 型 GaN 器件的唯一实用掺杂剂是镁，但由于需要高浓度，氢在退火过程中很容易进入结构，从而影响材料的性能。

因此，由于目前还没有 P 型 GaN 器件，工程师无法充分利用 GaN 作为半导体的潜力。

这对未来的工程师意味着什么？

目前，有许多材料正在研究中， 另一个主要应用材料是碳化硅。与 GaN 一样，与硅相比，它具有更高的工作电压、更高的击穿电压和更好的导电性。此外，其高导热性使其能够在极端温度下使用，并且尺寸明显更小，同时控制更大的功率。

但与 GaN 不同的是，SiC 不适合高频，这意味着它不太可能用于 RF 应用。因此，GaN 仍然是寻求制造小型功率放大器的工程师的首选。解决P型问题的一种解决方案是将GaN与P型硅MOS晶体管结合起来，虽然这确实提供了互补的能力，但它本质上限制了GaN的频率和效率。

随着技术的进步， 研究人员最终可能会找到 P 型 GaN 器件 或使用可与 GaN 结合的不同技术的互补器件。然而，在那一天到来之前，GaN 将继续受到我们这个时代技术的限制。

半导体研究的跨学科性质，涉及材料科学、电气工程和物理学，强调了克服 GaN 技术当前局限性所需的协作努力。开发 P 型 GaN 或寻找合适的补充材料的潜在突破不仅可以增强 GaN 基器件的性能，还有助于更广泛的半导体技术领域，为更高效、更紧凑和更可靠的电子系统铺平道路将来。

审核编辑：黄飞