拯救摩尔定律，宽带隙半导体表现超越硅 - 全文

50多年前硅（Si）集成电路的发明意义重大，为我们当前所享受的现代计算机和电子产品时代铺平了道路。但是正如俗话所说，天下没有不散的筵席，现在存在疑问的是，硅在半导体行业的霸主地位将何时终结？据摩尔定律预测，一个芯片上集成的晶体管数量大约每两年翻一番。对于传统的硅计算来说，摩尔定律不可能无限期持续，主要因为封装如此大量晶体管而导致的散热问题，以及工艺持续缩放而带来泄漏问题。同样，在功率电子领域，为满足市场需求，使用硅的新器件年复一年地实现更大的功率密度和能效，已经越来越成为一个巨大的挑战。从本质上讲，芯片的演进已经接近其基础物理极限。

根据一些专家的说法，留给我们榨取硅潜能的时间只有不到十年了，到时将迎来其理论极限。在计算方面，仍采用了诸多努力，如纳米技术和三维芯片，来延长硅的摩尔定律周期，尽管目前已经有了后硅时代的其它选择：分子计算和量子计算。在功率半导体方面，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），两者都是宽带隙（WBG）半导体，已经成为进步有些放缓的高功高温硅细分市场的首选方案。

以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）和氧化锌（ZnO）为代表的宽禁带半导体是继硅和砷化镓（GaAs）之后的第三代半导体材料，具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点，可实现高压、高温、高频、大功率、抗辐射微波毫米波器件和短波长光电半导体器件。宽禁带半导体是新一代雷达、通信、电子对抗系统最关键的半导体器件，也是新一代半导体照明关键的器件。

因为具备比硅高出约10倍的传导和开关特性，WBG材料是功率电子的最佳选择，可以生成更小、更快、更高效的器件，相对于硅器件，这种WGB器件承受的电压和温度都更高。这些特性，连同更好的耐用性和更高的可靠性一起，促使WBG功率器件成为当前重要新兴应用的关键助燃剂，如混动汽车、电动汽车以及可再生能源发电和存储。WBG功率器件还可以提升现有应用表现，特别是在效率增益方面。Yole Developpment研究估计，采用SiC或者GaN取代硅可将DC-DC的转换效率从85%增加到95%;将AC到DC的转换效率从85%提高至90%;并将DC到AC转换效率从96%优化到99%。

RF应用也将受益于WBG半导体。不仅要包括爆炸式增加的移动设备应用，如智能手机和平板，而且还有进入家庭在线流媒体，这一现象创造了更多的用户和更多的数据，已经越来越普及并成为全球潮流。日益庞大的流量导致对无线和电信系统的性能需求的递增。这也难怪，基于硅的RF功率晶体管正在达到的功率密度、击穿电压和工作频率的上限。氮化镓推动了先进性能高电子迁移率晶体管（HEMT器件）和单片微波集成电路（MMIC）的发展，它们可用于高性能RF应用，而更小的栅极电容等效于更快的速度和更大的带宽。

WBG材料也可以发光，这种光属性助推了近年来WBG半导体的快速发展。事实上，固态照明行业正在使用基于GaN的发光二极管（LED），来成为白炽灯泡的替代品，因为后者在节能、耐用、寿命方面表现更佳，这种高效也会促进LED照明在未来几年销售的大规模增长，预计在2018年销售量将超越白炽灯。LED照明还为紧凑型荧光灯（CFL）灯泡提供了无汞替代品。氮化镓也可用于激光二极管，目前最常见到的实现是蓝光播放器。

图1

宽带隙的定义

之所以被称为WBG材料，主要是因为较之于常见硅，它们的能量带隙相对更宽。电子带隙是指固体材料的价带顶端和导带底端的能量间隙。电子可以通过热或光激励等方式跨越带隙到达导带。一些材料没有带隙，但带隙的存在使得半导体器件部分表现为导体特征，而这正是其名称“半导体”所暗示。

正是由于带隙，使得半导体具备开关电流的能力，以实现给定的电子功能;毕竟，晶体管仅仅是嵌入在硅基衬底上的微型开关。更高的能量带隙赋予了WBG材料优于硅的半导体特性。 相较于硅器件，WBG器件可以在较小的尺寸上忍耐高得多的运行温度，也激发了新型应用的出现。目前流行的WBG应用材料是碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。

硅具有1.1电子伏特（eV）的带隙，而SiC和GaN则分别具有3.3 eV和3.4 eV的带隙。绝缘体材料具有非常大的带隙，典型值比4电子伏特（eV）还大，以及具备更高的电阻率。一般情况下，除了应用于钻石，否则它们不如半导体有用。虽然技术上来说，具有5.5eV带隙的砖石更应该是绝缘体，但实际上它却是半导体。