氮化镓芯片可耐受800℃高温

研究人员竞相制造可耐受高温的芯片。

在制造可耐受极高温的电路方面，碳化硅和氮化镓这两种半导体材料正在进行着火热的竞争。竞争结果将对未来的太空探测器、喷气发动机、制药工艺等需要极端环境电路的领域产生重大影响。

碳化硅芯片可耐受600℃的高温，此前一度领先。但具备独特性能的氮化镓能够在高温下更好地发挥功能，现已反超碳化硅。宾夕法尼亚州立大学楚荣明（Rongming Chu，音）团队设计的氮化镓芯片可在800℃下运行，此温度足以熔化食盐。

阿肯色大学电气工程与计算机科学教授艾伦·曼托斯（Alan Mantooth，未参与该研究）表示，借助碳化硅高温芯片，科学家能将传感器置于其以往无法耐受的环境中。

曼托斯补充说，氮化镓芯片有望打开新的大门，实现人们从未设想过的系统。“我们可以将这类电子设备放到硅基芯片根本无法耐受的环境中。”他表示。

碳化硅和氮化镓能在极端环境下运行的性能潜力均源于其宽带隙特性。在高温下，窄带隙材料中的电子易被激发跃迁，在带隙之间形成“桥梁”，从而导致电流持续导通。这对晶体管而言很致命，因为其电流无法切断。而碳化硅和氮化镓的宽带隙则能防止晶体管在高温环境下意外开启。

相较于碳化硅，氮化镓具有独特的优势，可使芯片在高温下表现更优。楚荣明团队设计的集成电路由氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）构成，该结构的氮化镓层上覆有氮化铝镓薄膜，能将电子吸引至两种材料的接触面。

这一层电子被称为二维电子气（2DEG），其电子浓度极高且运动阻力极小。因此，电荷在二维电子气中的传输速度大幅提升，使得晶体管能更快响应电压变化并切换开关状态。碳化硅材料难以生成二维电子气，因此其芯片性能难以匹敌氮化镓器件。

楚荣明团队的研究生熊逸欣（Yixin Xiong，音）表示，要让氮化镓高电子迁移率晶体管在800℃下运行，需要调整其结构。他们采用硅化钽屏障实现了漏电流（晶体管在关闭状态下仍存在的电荷泄漏）的最小化，可保护器件组件免受环境影响。该屏障还能防止器件侧壁的金属外层接触二维电子气，避免漏电流进一步增多。研究人员已于2025年8月将此成果发表在了《IEEE电子器件快报》上。

尽管氮化镓优势显著，曼托斯仍担心其长期可靠性不如碳化硅。“人们担心氮化镓在500℃及以上极端温度下的微裂纹问题，而碳化硅则不存在该问题，因此氮化镓可能存在可靠性问题。”他指出。

现任伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校实验室负责人的楚荣明认同氮化镓的长期可靠性有待提升这一观点。“我们可以进行几项技术改进，”他表示，“其中之一是提高这种芯片在高温下的可靠性。目前，我认为它能在800℃下维持约1小时。”

尽管存在耐久性挑战，该团队的芯片仍突破了电子器件的工作条件极限。“如果它能在800℃下坚持1小时，就意味着它可以在600℃～700℃的环境下持续更久。”楚荣明解释道。以环境温度470℃的金星为例，突破新耐高温纪录的氮化镓有望用于金星探测器中的电子设备。

曼托斯指出，耐800℃高温这一特性对高超音速飞行器和武器同样意义重大。极高的速度因摩擦而产生的热量会使安装了雷达和其他处理设备的表面升温。“这正是美国国防部关注耐极端温度电子元器件的原因。”他表示。

不过，氮化镓电路相对于碳化硅电路的领先优势可能保持不了多久。曼托斯的实验室也在研制耐高温芯片，正致力于让碳化硅达到楚荣明团队芯片的耐温水平。“我们将尝试使碳化硅电路能够耐受同等温度。”曼托斯透露。

可以确定的是，这场竞赛仍在升温。

作者：Velvet Wu