书籍：《炬丰科技-半导体工艺》

文章：氮化镓是晶体管替代半导体材料的潜力

编号：JFKJ-21-024

作者：炬丰科技

抽象的 - 半导体是一种电导率介于绝缘体和导体之间的化合物。半导体可以用不同电子数的非本征元素进行处理，以允许或阻止电流流动。通过应用这些原理，晶体管操纵电路中的电流以执行所需的计算。

自 1947 年晶体管发明以来，硅一直是电路中的标准半导体，因为它的可用性和易于制造。在过去的 70 年里，硅基晶体管的尺寸已经从手掌缩小到分子尺度。通过缩小尺寸，更多的晶体管可以安装在一个设备中，从而大大提高了计算能力。最近开发的硅晶体管只有 7 纳米宽，接近单个硅原子的大小，属于量子力学领域。由于进一步减小晶体管尺寸会产生不可预测的性能，因此晶体管创新已经停止。虽然政府、企业和学术界对提高计算能力的渴望永不满足，但研究已转向其他半导体材料，以重新定义晶体管的性质。

氮化镓 (GaN) 已被确定为在用于大规模计算设备的晶体管中替代硅的主要竞争者。该化合物具有硅电阻的一小部分，允许更节能的电流流动。虽然传统的 GaN 制造既昂贵又耗时，但麻省理工学院 (MIT) 等机构的研究小组在发明更便宜的大规模生产材料的方法方面取得了进展。尽管担心材料的经济可持续性，但随着组织寻求最大限度地提高其设备的计算能力，人们对 GaN 的广泛兴趣可能会持续下去。

关键词 – 氨热生长、掺杂、氮化镓、氢化物气相外延、半导体、硅、晶体管

半导体、晶体管和对新材料的需求

电导率和晶体管

化合物导电的程度取决于它拥有的价电子数。价电子是离原子核最远的电子，位于所谓的价壳层中，因此“对原子核的吸引力最小[1]。几乎为空的价壳中的电子可以很容易地从它们所属的原子中脱离出来，从而释放粒子以在材料中移动 [1]。通过材料的相对均匀的电子流允许该材料导电 [1]。传统的导体，如银和铜，有大量的这些自由电子，而绝缘体，如橡胶和玻璃，几乎没有[1]......

摩尔定律：高原

1965 年，仙童半导体的研究主管、英特尔未来的联合创始人戈登·摩尔 (Gordon Moore) 被要求对集成电路的未来做出预测 [5]。摩尔预测，每年，集成电路制造商都会“将可以安装在单个硅芯片上的晶体管数量增加一倍，这样 [客户将] 以稍微多一点的钱获得两倍的计算能力”[5]。尽管摩尔后来将这种倍增频率改为每两年一次，但他的预测仍然成立，现在被称为摩尔定律 [6]。第一个集成电路由德州仪器 (TI) 的 Jack Kilby 于 1958 年发明，如图 1 所示，它装有一个晶体管，大小约为手指末端 [7]。今天的集成电路可以在一个引脚的头部安装超过 100,000,000 个晶体管 [8]。A11仿生，

据估计，世界上 90% 的数据是在过去两年中产生的，这种现象被称为“大数据”[17]。为了处理这种快速增长的数据量，必须同时增加计算能力，或者加大建设数据中心的投资。然而，位于美国的 300 万个数据中心每年所用的电力足以为整个纽约市供电两年；这相当于“三十四座燃煤电厂的出力和污染”[18]。建造更大的数据中心来提供必要的计算能力对于美国纳税人来说将是极其浪费和昂贵的，因此对于这场危机来说，这不是一个现实的解决方案.......

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