近 60 年来，硅一直是半导体技术的基础。然而，在过去的半个多世纪里，工程师和制造商在硅制造、集成电路设计和 半导体 应用方面取得了巨大进步。摩尔定律表明，研究人员已经接近硅基半导体的理论极限。
尽管硅半导体衬底非常适合某些电子应用，但长期以来，研究科学家和半导体制造商一直在为特定应用寻找更强大的硅替代品。在过去的几十年里，这些科学家取得了不同程度的成功，但一种强有力的硅替代品已经出现：氮化镓（GaN）半导体。
氮化镓半导体结构
氮化镓是一种纤锌矿晶体结构的半导体，采用金属有机 化学气相沉积 （MOCVD）制造。在这个过程中，镓和氮结合形成晶体。这种合成存在多种混合物，但 GaN 合成的一个例子是使用氨 (NH3) 作为氮源并使用镓源（例如三甲基镓）。
GaN 的晶体结构存在一些均匀性问题，有时每厘米范围内的缺陷数达到数百万个。然而，最现代的 MOCVD 技术已经能够将每厘米的缺陷数量减少到 100 到 1000 之间，从而使它们能够生长和利用更大的 GaN 晶体作为晶圆。当科学家能够以较低的误差合成 GaN 时，该化合物具有几种不同的晶体特性，使其具有半导体应用中所需的特性。
GaN 与硅的带隙优势
氮化镓相对于硅的最显著优势之一是其带隙，这赋予了它各种电气特性，使其能够用于更高功率的应用。氮化镓的带隙为 3.2 电子伏特（eV），而硅的带隙仅为 1.1eV。由于氮化镓的带隙几乎是硅的三倍，因此将价电子激发到半导体导电带所需的能量要大得多。这一特性限制了 GaN 在极低电压应用领域的使用，但它使 GaN 具有更大的击穿电压和在更高温度下更好的热稳定性。
GaN 击穿场
GaN 的击穿场强为 3.3 MV/cm，而硅的击穿场强为 0.3 MV/cm。这使得氮化镓半导体在失效之前支持高压设计的能力提高了十倍。更高的击穿场强意味着氮化镓在高功率产品等高压电路中优于硅。制造商和工程师还可将氮化镓用于类似的电压应用，同时保持明显更小的占地面积。相比之下，硅的功率密度要高得多。
氮化镓与硅电子迁移率
硅的电子迁移率为 1500 cm2/Vs，而氮化镓的电子迁移率为 2000 cm2/Vs。因此，氮化镓晶体中的电子移动速度比硅的电子快 30% 以上。这种电子迁移率使氮化镓在 射频元件的应用上具有明显的优势，因为它可以处理比硅更高的开关频率。
热导率比较
与硅相比，氮化镓的一个缺点是其热导率较低。氮化镓的热导率为 1.3 W/cmK，而硅的热导率仅为 1.5 W/cmK。虽然氮化镓可能不具备处理高热负荷的能力，但 GaN 在同等电压下的效率可降低电路产生的热负荷，这意味着它的运行温度将比硅更低。
请看热传导率差异的一个例子，宜普公司在比较 120V 至 12V 12A 氮化镓场效应晶体管与 MOSFET 时，显示功率损耗减少了 40%。反过来，氮化镓场效应晶体管的运行温度降低了近 10 度，并在运行时节省了能源。
硅和 GaN 半导体的可制造性
氮化镓的技术祸根在于其制造工艺，尤其是与硅广泛采用的商品化制造工艺相比。例如，氮化镓在一小块区域内含有大量晶体缺陷。相比之下，硅的缺陷率可低至每平方厘米 100 个。本世纪之前，工程师们从未能够制造出缺陷数少于每平方厘米十亿个的 GaN 衬底。
显然，考虑到大多数半导体制造设计要求，如此大量的缺陷/面积是极其无效的。这些缺陷也限制了氮化镓半导体衬底的物理尺寸。尽管新的制造技术已将缺陷数量降低到更有效的水平，但生产相同数量的 GaN 晶圆的成本仍然无法与硅相比。
氮化镓比硅好吗？
GaN 在半导体应用方面比硅具有明显的优势。氮化镓面临两个主要障碍：
- 制造过程中的缺陷控制
- 保持成本效益
氮化镓的效率更高、热稳定性更好，当然也更适用于需要在更高温度下承受更大负载或更高频率的功率器件。GaN 材料是半导体领域面向未来的材料，并将带来更容易获得的小型高频产品。探索各种 电源产品，包括 GaN MOSFET。