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美国国家航空航天局授予美国亚利桑那州立大学75万美元,研发首个氮化镓处理器

近日,美国国家航空航天局(NASA)“热工作温度技术”(HOTTech)项目授予美国亚利桑那州立大学电子和计算机工程专家Yuji Zhao一份为期三年、价值75万美元的合同,将开发首个基于氮化镓(GaN)的可工作于高温环境的微处理器,对未来空间探索任务带来变革。

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图为Yuji Zhao手持GaN晶圆

GaN概述

GaN目前是主要用于LED、射频(RF)器件和半导体功率电子器件的半导体化合物材料,导电效率是硅的1000余倍,工作功率和耐温能力也都远优于硅。因此,GaN预期将在功率电子领域对硅基器件形成替代。


谈及即将开始的项目,Zhao说:“GaN能够支持电子系统更高运行效率,大幅减少尺寸和重量,提供更高的运行温度,所有这些都是各种空间应用所高度需要的。”他指出,由于硅的特性,硅基集成电路在更高温度时容易发生故障,工作频率也低。而GaN适用于更高工作温度和辐射环境。而且,由于二维电子气,GaN高电子迁移率晶体管可使GaN基器件具有更快频率响应。


项目目标

根据HOTTech项目,Zhao计划在接下来的几年中研发出基于GaN的微处理器,能够有效地工作在超过500摄氏度的高温下。HOTTech项目的主要目标是研发相应技术并使之成熟,这些技术最终将减少在接近或超过500摄氏度高温环境下任务的技术风险。


面临挑战

研发第一个GaN处理器可能需要花费几年时间。Zhao说:“挑战主要来自三个方面:器件、系统和可靠性。在器件层,必须展示具有热稳定性的GaN增强/耗尽模式N型和P型金属氧化物半导体晶体管,这需要特殊的材料生长技术、结构设计和接触。在系统级,重要的是研发出集成电路组成模块,如使用GaN晶体管实现或非(NOR)门和与非(NAND)门电路。GaN芯片设计和制造与硅芯片非常不同。”


应用

随着NASA和其他空间机构正在计划未来几年开展星际任务,该技术将支持科学家探索高温环境。Zhao说:“该材料将是以高温环境为目的地的空间探索任务所强烈需求的。对于NASA,该项目将对大量任务都带来益处,尤其是聚焦于高温环境作为目的地的NASA科学任务委员会相关任务,如金星表面、水星,气态巨行星(气体组成的巨行星,如木星、土星、天王星和海王星)的深大气”。


发展预期

但在现阶段,由于处理器和相关技术的研发可能花费几年时间,新研发的处理器何时将首次用于NASA仍不清楚。Zhao期望与项目相关的预期结果能够在未来10年实现。


其他项目

除了NASA的项目外,美国能源部(DOE)先进计划研究局(ARPA-E)通过“Power Nitride Doping Innovation Offers Devices Enabling SWITCHES”(PNDIODES)项目在2017年6月给予Yuji Zhao 150万美元的资金支持,推进GaN宽禁带半导体选择性区域掺杂工艺的基础研究。PNDIODES项目目标是解决GaN掺杂中的技术障碍,该技术是取得高性能GaN功率器件的一个重要工艺步骤。

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