書籍：《炬豐科技-半導(dǎo)體工藝》

文章：氮化鎵是晶體管替代半導(dǎo)體材料的潛力

編號：JFKJ-21-024

作者：炬豐科技

抽象的 - 半導(dǎo)體是一種電導(dǎo)率介于絕緣體和導(dǎo)體之間的化合物。半導(dǎo)體可以用不同電子數(shù)的非本征元素進(jìn)行處理，以允許或阻止電流流動。通過應(yīng)用這些原理，晶體管操縱電路中的電流以執(zhí)行所需的計(jì)算。

自 1947 年晶體管發(fā)明以來，硅一直是電路中的標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體，因?yàn)樗目捎眯院鸵子谥圃?。在過去的 70 年里，硅基晶體管的尺寸已經(jīng)從手掌縮小到分子尺度。通過縮小尺寸，更多的晶體管可以安裝在一個(gè)設(shè)備中，從而大大提高了計(jì)算能力。最近開發(fā)的硅晶體管只有 7 納米寬，接近單個(gè)硅原子的大小，屬于量子力學(xué)領(lǐng)域。由于進(jìn)一步減小晶體管尺寸會產(chǎn)生不可預(yù)測的性能，因此晶體管創(chuàng)新已經(jīng)停止。雖然政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)界對提高計(jì)算能力的渴望永不滿足，但研究已轉(zhuǎn)向其他半導(dǎo)體材料，以重新定義晶體管的性質(zhì)。

氮化鎵 (GaN) 已被確定為在用于大規(guī)模計(jì)算設(shè)備的晶體管中替代硅的主要競爭者。該化合物具有硅電阻的一小部分，允許更節(jié)能的電流流動。雖然傳統(tǒng)的 GaN 制造既昂貴又耗時(shí)，但麻省理工學(xué)院 (MIT) 等機(jī)構(gòu)的研究小組在發(fā)明更便宜的大規(guī)模生產(chǎn)材料的方法方面取得了進(jìn)展。盡管擔(dān)心材料的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性，但隨著組織尋求最大限度地提高其設(shè)備的計(jì)算能力，人們對 GaN 的廣泛興趣可能會持續(xù)下去。

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關(guān)鍵詞 – 氨熱生長、摻雜、氮化鎵、氫化物氣相外延、半導(dǎo)體、硅、晶體管

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半導(dǎo)體、晶體管和對新材料的需求

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電導(dǎo)率和晶體管

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化合物導(dǎo)電的程度取決于它擁有的價(jià)電子數(shù)。價(jià)電子是離原子核最遠(yuǎn)的電子，位于所謂的價(jià)殼層中，因此“對原子核的吸引力最小[1]。幾乎為空的價(jià)殼中的電子可以很容易地從它們所屬的原子中脫離出來，從而釋放粒子以在材料中移動 [1]。通過材料的相對均勻的電子流允許該材料導(dǎo)電 [1]。傳統(tǒng)的導(dǎo)體，如銀和銅，有大量的這些自由電子，而絕緣體，如橡膠和玻璃，幾乎沒有[1]......

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摩爾定律：高原

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1965 年，仙童半導(dǎo)體的研究主管、英特爾未來的聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾 (Gordon Moore) 被要求對集成電路的未來做出預(yù)測 [5]。摩爾預(yù)測，每年，集成電路制造商都會“將可以安裝在單個(gè)硅芯片上的晶體管數(shù)量增加一倍，這樣 [客戶將] 以稍微多一點(diǎn)的錢獲得兩倍的計(jì)算能力”[5]。盡管摩爾后來將這種倍增頻率改為每兩年一次，但他的預(yù)測仍然成立，現(xiàn)在被稱為摩爾定律 [6]。第一個(gè)集成電路由德州儀器 (TI) 的 Jack Kilby 于 1958 年發(fā)明，如圖 1 所示，它裝有一個(gè)晶體管，大小約為手指末端 [7]。今天的集成電路可以在一個(gè)引腳的頭部安裝超過 100,000,000 個(gè)晶體管 [8]。A11仿生，

據(jù)估計(jì)，世界上 90% 的數(shù)據(jù)是在過去兩年中產(chǎn)生的，這種現(xiàn)象被稱為“大數(shù)據(jù)”[17]。為了處理這種快速增長的數(shù)據(jù)量，必須同時(shí)增加計(jì)算能力，或者加大建設(shè)數(shù)據(jù)中心的投資。然而，位于美國的 300 萬個(gè)數(shù)據(jù)中心每年所用的電力足以為整個(gè)紐約市供電兩年；這相當(dāng)于“三十四座燃煤電廠的出力和污染”[18]。建造更大的數(shù)據(jù)中心來提供必要的計(jì)算能力對于美國納稅人來說將是極其浪費(fèi)和昂貴的，因此對于這場危機(jī)來說，這不是一個(gè)現(xiàn)實(shí)的解決方案.......

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