隨著世界在半導體領域尋找新的機遇，氮化鎵作為未來電源和射頻應用的潛在候選者繼續脫穎而出。然而，盡管它提供了所有好處，但它仍然面臨著重大挑戰；沒有 P 型（P-type ）產品。為什么 GaN 被譽為下一個主要半導體材料，為什么缺乏 P 型 GaN 器件是一個主要缺點，這對未來的設計意味著什么？

要了解缺少 P 型 GaN 器件的影響，需要更深入地研究半導體物理以及 PN 結在電子器件中的作用。P 型和 N 型半導體之間的協同作用構成了從二極管到晶體管的大多數電子元件的基礎，可實現包括開關、放大和調制在內的多種功能。P 型 GaN 的缺乏限制了此類組件的設計和效率，需要替代或混合解決方案，而這些解決方案可能無法充分利用 GaN 的固有優勢。

為什么 GaN 被譽為下一個主要半導體材料？

在電子領域，自從第一批電子設備上市以來，有四個事實一直存在：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，試圖創造出能夠滿足這四個要求的完美電子設備有點像是一個白日夢，但這并沒有阻止工程師們盡一切努力去實現它。

利用這四個指導原則，工程師們成功地完成了各種看似不可能的任務，計算機從房間大小的設備縮小到比一粒米還小的芯片，允許無線通信和訪問互聯網的智能手機，以及現在可以獨立于主機佩戴和使用的虛擬現實系統。然而，隨著工程師接近常用材料（例如硅）的物理極限，使設備變得更小并使用更少的功耗現在已成為不可能。

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

氮化鎵的卓越效率

首先，GaN 的導電效率比硅高 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行，而不會產生太多熱量，從而在相同的給定功率下可以做得更小。

盡管 GaN 的熱導率略低于硅，但其熱管理優勢為高功率電子產品開辟了新途徑。這對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用尤其重要，例如航空航天和汽車電子產品。GaN 器件在高溫下保持性能的能力進一步凸顯了它們在惡劣環境應用中的潛力。

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 對于工作頻率遠高于 GHz 范圍的射頻功率應用至關重要（這是硅難以應對的）。

然而，在導熱性方面，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，導熱性的缺乏限制了在高功率下運行時縮小 GaN 器件的能力（因為需要大塊材料來散熱）。

GaN 的致命弱點——沒有 P 型

擁有能夠在高頻下高功率運行的半導體固然很好，但盡管 GaN 提供了所有優勢，但有一個主要缺點嚴重阻礙了其在眾多應用中替代硅的能力：缺乏 P -類型。

可以說，這些新發現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，毫無疑問當前的 GaN 晶體管可以實現這一點。然而，雖然單個 GaN 晶體管確實能夠提供一些令人印象深刻的特性，但當前所有商用 GaN 器件都是 N 型的這一事實影響了它們極其高效的能力。

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

然而，雖然這項技術很簡單，但它使用電阻器來提供功率，這意味著當 NMOS 晶體管導通時，大量的功率會浪費在電阻器上。對于單個門，這種功率損耗是最小的，但是當擴展到小型 8 位 CPU 時，這種功率損耗可能會增加，從而使器件變熱并限制單個芯片上的活動器件的數量。

從 NMOS 到 CMOS 技術的演變

另一方面，CMOS 采用 P 型和 N 型晶體管，它們以相反的方式協同工作。無論CMOS邏輯門的輸入狀態如何，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N型導通時，P型絕緣，反之亦然） 。事實上，CMOS 電路中唯一真正的功率損耗是在狀態切換期間，其中通過互補對形成電源和接地之間的瞬時連接。

回到 GaN 器件，由于目前僅存在 N 型器件，因此目前 GaN 唯一可用的技術是 NMOS，而 NMOS 本身非常耗電。對于射頻放大器來說，這不是問題，但對于邏輯電路來說，這是一個主要缺點。

隨著全球能源消耗的不斷增加以及技術對環境的影響受到密切關注，對電子產品能源效率的追求變得前所未有的重要。NMOS技術在功耗方面的局限性凸顯了半導體材料迫切需要突破，以提供高性能和高能效。P 型 GaN 或替代互補技術的開發可能標志著這一探索的一個重要里程碑，有可能徹底改變節能電子設備的設計。

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色 LED 光源，包括藍光，但雖然這些器件足以滿足光學電子器件的要求，但對于數字邏輯和電源應用來說，它們還遠非理想系統。例如，用于制造 P 型 GaN 器件的唯一實用摻雜劑是鎂，但由于需要高濃度，氫在退火過程中很容易進入結構，從而影響材料的性能。

因此，由于目前還沒有 P 型 GaN 器件，工程師無法充分利用 GaN 作為半導體的潛力。

這對未來的工程師意味著什么？

目前，有許多材料正在研究中， 另一個主要應用材料是碳化硅。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電性。此外，其高導熱性使其能夠在極端溫度下使用，并且尺寸明顯更小，同時控制更大的功率。

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型問題的一種解決方案是將GaN與P型硅MOS晶體管結合起來，雖然這確實提供了互補的能力，但它本質上限制了GaN的頻率和效率。

隨著技術的進步， 研究人員最終可能會找到 P 型 GaN 器件 或使用可與 GaN 結合的不同技術的互補器件。然而，在那一天到來之前，GaN 將繼續受到我們這個時代技術的限制。

半導體研究的跨學科性質，涉及材料科學、電氣工程和物理學，強調了克服 GaN 技術當前局限性所需的協作努力。開發 P 型 GaN 或尋找合適的補充材料的潛在突破不僅可以增強 GaN 基器件的性能，還有助于更廣泛的半導體技術領域，為更高效、更緊湊和更可靠的電子系統鋪平道路將來。

審核編輯：黃飛

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