拯救摩爾定律，寬帶隙半導(dǎo)體表現(xiàn)超越硅

50多年前硅（Si）集成電路的發(fā)明意義重大，為我們當(dāng)前所享受的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和電子產(chǎn)品時(shí)代鋪平了道路。但是正如俗話所說，天下沒有不散的筵席，現(xiàn)在存在疑問的是，硅在半導(dǎo)體行業(yè)的霸主地位將何時(shí)終結(jié)？據(jù)摩爾定律預(yù)測(cè)，一個(gè)芯片上集成的晶體管數(shù)量大約每?jī)赡攴环?。?duì)于傳統(tǒng)的硅計(jì)算來說，摩爾定律不可能無限期持續(xù)，主要因?yàn)榉庋b如此大量晶體管而導(dǎo)致的散熱問題，以及工藝持續(xù)縮放而帶來泄漏問題。同樣，在功率電子領(lǐng)域，為滿足市場(chǎng)需求，使用硅的新器件年復(fù)一年地實(shí)現(xiàn)更大的功率密度和能效，已經(jīng)越來越成為一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。從本質(zhì)上講，芯片的演進(jìn)已經(jīng)接近其基礎(chǔ)物理極限。

根據(jù)一些專家的說法，留給我們榨取硅潛能的時(shí)間只有不到十年了，到時(shí)將迎來其理論極限。在計(jì)算方面，仍采用了諸多努力，如納米技術(shù)和三維芯片，來延長(zhǎng)硅的摩爾定律周期，盡管目前已經(jīng)有了后硅時(shí)代的其它選擇：分子計(jì)算和量子計(jì)算。在功率半導(dǎo)體方面，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），兩者都是寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體，已經(jīng)成為進(jìn)步有些放緩的高功高溫硅細(xì)分市場(chǎng)的首選方案。

以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）和氧化鋅（ZnO）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體是繼硅和砷化鎵（GaAs）之后的第三代半導(dǎo)體材料，具有高擊穿電場(chǎng)、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度、高遷移率等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高壓、高溫、高頻、大功率、抗輻射微波毫米波器件和短波長(zhǎng)光電半導(dǎo)體器件。寬禁帶半導(dǎo)體是新一代雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗系統(tǒng)最關(guān)鍵的半導(dǎo)體器件，也是新一代半導(dǎo)體照明關(guān)鍵的器件。

因?yàn)榫邆浔裙韪叱黾s10倍的傳導(dǎo)和開關(guān)特性，WBG材料是功率電子的最佳選擇，可以生成更小、更快、更高效的器件，相對(duì)于硅器件，這種WGB器件承受的電壓和溫度都更高。這些特性，連同更好的耐用性和更高的可靠性一起，促使WBG功率器件成為當(dāng)前重要新興應(yīng)用的關(guān)鍵助燃劑，如混動(dòng)汽車、電動(dòng)汽車以及可再生能源發(fā)電和存儲(chǔ)。WBG功率器件還可以提升現(xiàn)有應(yīng)用表現(xiàn)，特別是在效率增益方面。Yole Developpment研究估計(jì)，采用SiC或者GaN取代硅可將DC-DC的轉(zhuǎn)換效率從85%增加到95%;將AC到DC的轉(zhuǎn)換效率從85%提高至90%;并將DC到AC轉(zhuǎn)換效率從96%優(yōu)化到99%。

RF應(yīng)用也將受益于WBG半導(dǎo)體。不僅要包括爆炸式增加的移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用，如智能手機(jī)和平板，而且還有進(jìn)入家庭在線流媒體，這一現(xiàn)象創(chuàng)造了更多的用戶和更多的數(shù)據(jù)，已經(jīng)越來越普及并成為全球潮流。日益龐大的流量導(dǎo)致對(duì)無線和電信系統(tǒng)的性能需求的遞增。這也難怪，基于硅的RF功率晶體管正在達(dá)到的功率密度、擊穿電壓和工作頻率的上限。氮化鎵推動(dòng)了先進(jìn)性能高電子遷移率晶體管（HEMT器件）和單片微波集成電路（MMIC）的發(fā)展，它們可用于高性能RF應(yīng)用，而更小的柵極電容等效于更快的速度和更大的帶寬。

WBG材料也可以發(fā)光，這種光屬性助推了近年來WBG半導(dǎo)體的快速發(fā)展。事實(shí)上，固態(tài)照明行業(yè)正在使用基于GaN的發(fā)光二極管（LED），來成為白熾燈泡的替代品，因?yàn)楹笳咴诠?jié)能、耐用、壽命方面表現(xiàn)更佳，這種高效也會(huì)促進(jìn)LED照明在未來幾年銷售的大規(guī)模增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)在2018年銷售量將超越白熾燈。LED照明還為緊湊型熒光燈（CFL）燈泡提供了無汞替代品。氮化鎵也可用于激光二極管，目前最常見到的實(shí)現(xiàn)是藍(lán)光播放器。

圖1

寬帶隙的定義

之所以被稱為WBG材料，主要是因?yàn)檩^之于常見硅，它們的能量帶隙相對(duì)更寬。電子帶隙是指固體材料的價(jià)帶頂端和導(dǎo)帶底端的能量間隙。電子可以通過熱或光激勵(lì)等方式跨越帶隙到達(dá)導(dǎo)帶。一些材料沒有帶隙，但帶隙的存在使得半導(dǎo)體器件部分表現(xiàn)為導(dǎo)體特征，而這正是其名稱“半導(dǎo)體”所暗示。

正是由于帶隙，使得半導(dǎo)體具備開關(guān)電流的能力，以實(shí)現(xiàn)給定的電子功能;畢竟，晶體管僅僅是嵌入在硅基襯底上的微型開關(guān)。更高的能量帶隙賦予了WBG材料優(yōu)于硅的半導(dǎo)體特性。 相較于硅器件，WBG器件可以在較小的尺寸上忍耐高得多的運(yùn)行溫度，也激發(fā)了新型應(yīng)用的出現(xiàn)。目前流行的WBG應(yīng)用材料是碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）。