硅与氮化镓 (GaN) 半导体：性质与应用比较
硅已经成为半导体技术近60年的基础。然而，在半个多世纪中，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展。摩尔定律表明研究人员接近于达到基于硅的半导体的理论极限。
虽然硅半导体基板对于某些电子应用来说是完美的，但研究科学家和半导体制造商长期以来一直在寻找硅的一种更强大的替代品用于特定的应用。这些科学家在过去几十年中经历了不同程度的成功，但一种对硅有力的竞争替代品已经出现：氮化镓 (GaN) 半导体。
氮化镓半导体结构
氮化镓是一种具有纤锌矿晶体结构的半导体，通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）制造。在这一过程中，镓和氮结合形成晶体。用于该合成的各种混合物存在，但一个氮化镓合成的例子是使用氨气（NH3）作为氮源和三甲基镓等镓源。
氮化镓的晶体结构存在一定的均匀性问题，有时每厘米范围内的缺陷可达数百万。然而，最现代的MOCVD技术能够将每厘米的缺陷数量减少到在100到1000之间，从而能够生长和利用较大的氮化镓晶体作为晶圆。当科学家能够合成低误差程度的氮化镓时，该化合物具有一些独特的结晶特性，在半导体应用中具有可取的特性。
氮化镓与硅的带隙优势
氮化镓相对于硅的一个显著优势是其带隙，这赋予其各种电气特性，使其适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1.1 eV。由于GaN的带隙几乎是硅的三倍，因此需要更多能量来激发价电子进入半导体的导带。此特性限制了GaN在非常低电压应用中的使用，但赋予GaN更大的击穿电压和在高温下更高的热稳定性。
GaN 击穿场
氮化镓的击穿场为3.3 MV/cm，而硅的击穿场为0.3 MV/cm。这使得氮化镓半导体在支持高电压设计方面的能力是硅的十倍，更不容易失效。更高的击穿场意味着氮化镓在高电压电路中优于硅，例如高功率产品。制造商和工程师也可以在类似电压应用中使用氮化镓，同时保持显著更小的占用空间。相比之下，硅的功率密度要高得多。
氮化镓与硅电子迁移率对比
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，在氮化镓晶体中，电子的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用于RF组件时具有显著优势，因为它可以处理比硅更高的开关频率。
导热系数比较
与硅相比，氮化镓的一个缺点是其较低的热导率。氮化镓的热导率为 1.3 W/cmK，而硅的热导率则约为 1.5 W/cmK。虽然氮化镓可能不太适合处理高热负载，但 GaN 在可比电压下的效率降低了电路产生的热负载，这意味着它的运行温度将比硅更低。 查看此热导率差异的一个示例，在 EPC Corporation 的展示中，比较 120V 到 12V 12A 的 GaN FET 与 MOSFET 时展示了 40% 的功率损失减少。因此，GaN FET 的运行温度降低了近十度，并在运行时节省了能源。
硅和氮化镓半导体的可制造性
氮化镓的技术障碍在于其制造工艺，尤其是与硅的广泛采用和商品化制造工艺相比。举例来说，氮化镓在小面积上包含大量的晶体缺陷。相比之下，硅每平方厘米的缺陷数可以低至100个。在本世纪之前，工程师一直无法制造缺陷少于十亿个/cm的氮化镓基板。
显然，对于大多数半导体制造设计需求而言，这么多的缺陷/面积是极其无效的。缺陷也仅仅由于物理尺寸限制了氮化镓半导体基板。在新制造技术将缺陷数量降低到更有效的数值之后，生产相同数量的氮化镓晶圆的成本仍无法与硅相比。
氮化镓是否优于硅？
GaN在用于半导体应用时相比硅具有独特优势。氮化镓面临两个主要障碍：
- 制造中的缺陷控制
- 保持成本效益
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