硅时代的终结者-《石墨烯、SiC、 GaN》

好像习大大最近去英国还专程看了华为英国公司的石墨烯研究，搞得国内好多石墨烯材料的股票大涨，连石墨烯内裤都跟着炒作起来了~~小编也顺应潮流聊聊半导体材料那些事吧。

十年前，我刚毕业进入方正，当年我们的定位是SiGe，工号100以内的人曾经的邮箱后缀都是@sige.cn，好高大上，虽然后来还是顺应潮流走了Si工艺(现在已是6寸的佼佼者)。实际上SiGe只是实验室里的花瓶，虽然不如他但是却很成熟的有GaAs，比它牛的材料有SiC，所以注定了SiGe不会商业化，我在学校的时候也只是看到24研究所有研究过。

好吧，再回来聊我们的半导体材料，世界上最早的半导体材料是Ge，后来才是Si，主要是便宜因为原材料是沙子取之不竭用之不尽，所以硅/Si一直统治了半导体领域大半个世纪。但是随着摩尔定律的驱策，我们已经走到了原子级导致了很多击穿以及漏电等技术难题，所以到了10nm以下将迎来Si时代的终结，至于是不是IBM研发的石墨烯7nm晶体管我们还是期待吧，说不定我们tsmc能够延续Si-7nm呢。

在讲新材料之前我们还是把理论铺垫一下，不然后面讲解就纯属无稽之谈了。半导体材料的选择无非就是两个因素：一是载流子迁移率μ(Carrier Mobility)，二是禁带宽度Eg (台湾称“带隙”, Forbidden band)。而迁移率与电场、载流子质量、材料晶格密度(碰撞散射)相关，这个没什么理论，但是禁带宽度就要好好讲讲了，教科书里的理论是价带低与导带顶之间就是禁带，而禁带宽度越小则电子容易从价带跃迁到导带形成自由电子-空穴对(Electron-Hole pair)参与导电，当然这也就是我们讲的雪崩击穿或漏电的产生机理。

讲完了理论，我们自然就可以得出选择半导体材料的guideline是：对于Logic制程(CPU)来讲，我们要的是速度需要选择高的载流子迁移率的材料。但是对于功率器件或者低功耗来讲，我们选择的是击穿电压高以及低漏电的高禁带宽度(Eg)的材料。下面就这两方面分别来做学习：

1、Logic制程的材料选择：

我们摩尔定律一直驱策的CPU以及AP处理器都是Logic制程(至少40nm以下还没有出现过HV、BCD、eFlash等产品)，它的要求是小而美且速度快。根据我们上面提到的guideline，所以如果Si走到了尽头，我们的选择一定是高迁移率的第四主族元素(C, Si, Ge)，只能是碳了。而碳里面迁移率最高的一定就是石墨了，还记得小时候我们拆解手电筒一号电池拿里面的柱状电极写字不？O(∩_∩)O哈哈~那个就是石墨，之所以用它就是因为它导电性好。

但是石墨本身是个层状晶体结构，但层与层之间没有键合而很容易滑动(润滑剂)，因为半导体材料必须是单晶结构，所以只能使用单层的石墨，也就是我们的石墨烯(Graphene)。

拜读了《华为为何投资石墨烯》一文，石墨烯有很好的导热、导电、透光特性(98%透光率)，以及高强度、超轻薄、超大表面积(六面体)、柔韧性好等集众多优点与一身的宝贵材料，高级！仅透光性好我觉得就可以替代TFT-LCD屏的ITO透光导电膜，以及结合柔韧性好可以制造弯曲屏幕代替OLED，再夸张点用石墨烯做的MOS是不是可以做透明手机了。。。扯远了

回顾我们硅时代的CPU主频极限是3G~4G (实际2~3G)，因为你过高的频率会使得温度升高而烧毁，所以即使在液氮下也只能达到8.4G的频率。但是石墨烯的载流子迁移率是Si的10倍，并且导热性好，理想主频可以达到300G，当然那只是理论，IBM的中国台湾工程师Lin Yu-ming在2011年的Science上发表的首次做到了全晶圆尺寸石墨烯的集成电路的主频也只有155G，当然这已经足以甩开硅基CPU几个世纪了。

虽然现在7nm的晶体管已经搞出来了，但是我个人觉得如果要遵循摩尔定律它就不可能在2~3年量产，因为目前为止还有很多技术难题。石墨烯虽然导电超好，知道它为什么好吗？根据前面讲的能带理论，只有进入到导带的电子才参与导电，而金属为什么导电性好就是因为它价带和导带在一起，而石墨烯本身也是类似金属的无带隙(没有禁带)的材料，对于半导体来讲这可是致命的，半导体器件讲究的是个逻辑，即所谓的“0”和“1”，需要靠控制禁带宽度的跃迁来实现的，你如果没有禁带还怎么玩？所以我们必须人工植入一个带隙——但是简单植入又会使石墨烯丧失它的独特属性，从而破坏二维晶体周期性结构来实现能带结构的调制，可是破坏晶体周期性会影响材料迁移率，从而降低频率。所以这就是技术挑战。当然我认为华为投资跟IBM的方向是不一样的，毕竟它不搞半导体制造，所以它应该看中的是电池以及其他应用吧。

半导体石墨烯的前途是光明的、道路是曲折的！

2、功率半导体：

再来聊聊另外一个半导体领域功率器件领域吧，现在流行一个词叫做“宽禁带半导体”，其实就是指以GaN、SiC为代表的化合物半导体材料凭借它的击穿电场强度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强等特点，能够大幅提升电子器件的高压、高频、高功率工作性能，所以无论是在学术界还是工业界，尤其是GaN已经达到了空前繁盛的阶段。

功率器件讲究的是耐压和低噪声，先讲噪声吧，其实对于功率器件来讲就是开关过程中的power loss，而power loss就是阻碍频率的主要因素，以耳机为例，当开关频率高于人耳分辨频率上限20kHZ的时候，则几乎没有噪声了，那我们还需要电容电感来过滤噪声吗？而耐压就比较单纯，但是如果我们选择了宽禁带材料那我们就可以同样击穿电压下提高载流子浓度来降低导通电阻(浓度提高则禁带宽度变窄，击穿变低)。以目前学术界普遍研究的宽禁带就是SiC和GaN了，他们的禁带宽度是硅的3倍(很难碰撞电离产生电子空穴对而击穿)，所以击穿电场可以达到硅的10倍，所以同样的击穿电压下，Rdson可以降低1/300~1/1000 (因为导通电阻与击穿电压成三次方反比)。

另外再讲一个工作温度的问题，我们半导体器件的SPICE model一般是-40C~85C，即使是功率器件也不会超过125C，为什么？因为载流子在温度升高的时候先加速所以迁移率会加快，可当温度高于某个温度的时候载流子会发生大规模晶格散射产生电子空穴对而击穿烧毁，所以很多discrete功率器件都要单独配散热片的。而GaN和SiC因为禁带宽度大，所以即使碰撞最多也就是降低迁移率而已，但是不会产生电子空穴对，所以还可以继续工作，理论上温度可以超过500C。这以后还需要散热吗？O(∩_∩)O~我想应该是怎么提高周边物体的燃点比较重要(开个玩笑，那么高的温度你也没法用~)。

GaN和SiC的特点都是很硬，SiC在FAB里面都是用来做高温的tube代替石英tube，而GaN更硬用来做刹车耐磨层或防弹层。而这种异质结化合物半导体材料只能靠分子束外延来完成，但是最大的挑战应该是单晶材料的缺陷问题(晶格位错)，以GaN为例目前还只能制作出横向结构的器件(HEMT)，而SiC因为与Si非常相似，可以直接在表面生长SiO2，可以制作平面的MOSFET结构，目前还是主要做PIN二极管和SBD(肖特基)，另外在车载和电动汽车领域它甚至可以替代IGBT，将功耗损失降低到1/10实现高频高速开关。

国际上目前能够商业化提供GaN和SiC的应该只有英飞凌和国际整流(IR)，还有少量的EPC, GaN system和Transphorm(貌似transphorm是后期之秀)，随着技术的成熟现在首先要做的因该是开发属于自己的IP技术抢占市场。根据法国Yole Development的《GaN和SiC器件电子技术与应用》描述，到2015年GaN市场收入仅1000万美金，但是从2016年开始年复合增长率(CAGR)会以93%的成长，到2020年达到3亿美金。而国内的研究都是中科院的材料所(物理所、半导体所等)还有微电子所搞军工雷达等，而国内的生产线应该是西安的三安光电吧，他们是GaNHEMT技术，还有昆山的Anadigics，而南京的国芯就不知道了。

简单讲，SiC适合做高压开关管，因为它可以利用同质外延易于制备纵向结构的器件提高耐压性能电压(>1200V)。而GaN只能做横向结构的器件，所以只适合做中低压(~600V)但是高频功率放大器，而目前主流的高频功率放大器(PA)还只是GaAs的天下，比如无线基站、卫星通讯、雷达等。将来的5G基站应该就是要依赖GaN了，还有RF switch以及Filter等都是GaN的市场，另外传说“宙斯盾”驱逐舰的相控阵雷达已经开始换装GaN产品了，我们的研究所要加速了，不然怎么搞电子对抗啊，呵呵。