近日，由賓夕法尼亞州立大學(xué)電氣工程教授Rongming Chu領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，設(shè)計出了一種可在800?℃下工作的氮化鎵晶體管——足以熔化食鹽的高溫。這項(xiàng)技術(shù)突破不僅挑戰(zhàn)了現(xiàn)有半導(dǎo)體材料的物理極限，更可能重塑極端環(huán)境下電子設(shè)備的設(shè)計邏輯。
傳統(tǒng)硅基晶體管因帶隙較窄（1.12eV），在300°C以上時電子會因熱激發(fā)持續(xù)導(dǎo)通，導(dǎo)致器件失效。而氮化鎵憑借寬禁帶（3.4eV）和高臨界電場強(qiáng)度（3.3MV/cm），天然具備高溫適應(yīng)性。
研究團(tuán)隊(duì)本次所開發(fā)的器件為氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT），其結(jié)構(gòu)為：鋁鎵氮（AlGaN）層覆蓋在氮化鎵（GaN）基底之上，界面處形成一種高濃度、低阻抗的二維電子氣（2DEG）。
具體來說，研究團(tuán)隊(duì)采用氮化鋁鎵（AlGaN）/氮化鎵異質(zhì)結(jié)設(shè)計，在兩種材料界面處形成高濃度電子氣層（密度約1×1013cm?2）。這種結(jié)構(gòu)使電子遷移率高達(dá)2000 cm2/(V?s)，是硅材料的10倍以上，從而在高溫下仍能保持低電阻特性。
盡管GaN在使用壽命上仍面臨挑戰(zhàn)，這款器件卻成功拓寬了電子設(shè)備的極限工作環(huán)境。Chu教授指出：“如果我們能在800?℃下穩(wěn)定運(yùn)行1小時，那么在600或700?℃下就可以保持更久?！崩?，金星表面溫度為470?℃，該器件為金星探測器上的電子系統(tǒng)提供了可行選項(xiàng)。
除了在太空探測、航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，該研究成果還有望應(yīng)用在化石能源、核能、電動汽車等工業(yè)領(lǐng)域，以及量子計算、深空探測等前沿科研領(lǐng)域。
比如在核能領(lǐng)域，高溫氣冷堆（HTGR）的堆芯溫度達(dá)950°C，該晶體管可用于控制棒驅(qū)動系統(tǒng)，提升反應(yīng)堆響應(yīng)速度至毫秒級。
比如在電動汽車領(lǐng)域，在電機(jī)控制器中，800°C器件可取消液冷系統(tǒng)，使功率模塊體積縮小40%，同時耐受電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生的高溫沖擊。
總而言之，該研究驗(yàn)證了 “寬禁帶+界面工程” 路線的可行性，推動學(xué)術(shù)界重新評估氮化鎵在高溫領(lǐng)域的潛力。目前，美國政府已追加200萬美元資助，用于開發(fā)耐1000°C的氮化鎵基傳感器陣列。
（集邦化合物半導(dǎo)體整理）
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