拯救摩爾定律，寬帶隙半導體表現(xiàn)超越硅 - 全文

50多年前硅（Si）集成電路的發(fā)明意義重大，為我們當前所享受的現(xiàn)代計算機和電子產(chǎn)品時代鋪平了道路。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，硅在半導體行業(yè)的霸主地位將何時終結(jié)？據(jù)摩爾定律預測，一個芯片上集成的晶體管數(shù)量大約每兩年翻一番。對于傳統(tǒng)的硅計算來說，摩爾定律不可能無限期持續(xù)，主要因為封裝如此大量晶體管而導致的散熱問題，以及工藝持續(xù)縮放而帶來泄漏問題。同樣，在功率電子領域，為滿足市場需求，使用硅的新器件年復一年地實現(xiàn)更大的功率密度和能效，已經(jīng)越來越成為一個巨大的挑戰(zhàn)。從本質(zhì)上講，芯片的演進已經(jīng)接近其基礎物理極限。

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

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

因為具備比硅高出約10倍的傳導和開關特性，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功率器件成為當前重要新興應用的關鍵助燃劑，如混動汽車、電動汽車以及可再生能源發(fā)電和存儲。WBG功率器件還可以提升現(xiàn)有應用表現(xiàn)，特別是在效率增益方面。Yole Developpment研究估計，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應用也將受益于WBG半導體。不僅要包括爆炸式增加的移動設備應用，如智能手機和平板，而且還有進入家庭在線流媒體，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。日益龐大的流量導致對無線和電信系統(tǒng)的性能需求的遞增。這也難怪，基于硅的RF功率晶體管正在達到的功率密度、擊穿電壓和工作頻率的上限。氮化鎵推動了先進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半導體的快速發(fā)展。事實上，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，因為后者在節(jié)能、耐用、壽命方面表現(xiàn)更佳，這種高效也會促進LED照明在未來幾年銷售的大規(guī)模增長，預計在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，目前最常見到的實現(xiàn)是藍光播放器。

圖1

寬帶隙的定義

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

正是由于帶隙，使得半導體具備開關電流的能力，以實現(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。更高的能量帶隙賦予了WBG材料優(yōu)于硅的半導體特性。 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行溫度，也激發(fā)了新型應用的出現(xiàn)。目前流行的WBG應用材料是碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）。

硅具有1.1電子伏特（eV）的帶隙，而SiC和GaN則分別具有3.3 eV和3.4 eV的帶隙。絕緣體材料具有非常大的帶隙，典型值比4電子伏特（eV）還大，以及具備更高的電阻率。一般情況下，除了應用于鉆石，否則它們不如半導體有用。雖然技術上來說，具有5.5eV帶隙的磚石更應該是絕緣體，但實際上它卻是半導體。