拯救摩尔定律，宽带隙半导体表现超越硅

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。

上页介绍了宽带隙半导体的基础知识，这里介绍宽带隙半导体材料中的成熟产品碳化硅（SiC）的发展

WBG在高功率高温电子中的应用

功率电子是基础产业;所有电力设备都将使用某种形式的电源管理器件。

因此，功率器件的进步也推动了大量应用的进展。这就是为何看到使用WBG材料的功率电子是很常见并令人欣喜的事。WBG最初被用于发光二极管（LED），然后扩展到射频器件与SAW滤波器，首次亮相于功率电子领域是1992年首个400V SiC肖特基二极管的问世。自那时起，WGB功率电子产品组合已不断扩充，包括1200V SiC肖特基二极管以及整流器，JFET，MOSFET，BJT和可控硅，参与的制造商也众多，包括Cree公司和意法半导体等。

作为行业领导者，Cree进入WBG已经有段历史，其产品组合包括MOSFET，肖特基二极管和整流器，LED灯等。2011年，Cree公司推出了SiC MOSFET Z-FET™线，它具备目前业界最高的效率，同时也提升了电源开关应用的可靠性。意法半导体STPSC家族目前已经包括600V，650V，1200V的SiC二极管。STPSC6H12是一款高性能1200V SiC肖特基整流器，专用于光电逆变器。由于其在任何温度下高频工作时开关损耗低以及超快的开关速度，可以将变频器良率增加多达2%。相比于双极二极管，SiC二极管的损耗可以降低70%。

碳化硅（SiC）是目前最成熟的WBG材料，市场已经出现大量的SiC功率器件，这些产品也来自于众多厂家，包括Cree，GeneSiC，英飞凌，松下，罗姆，意法半导体，Semelab/ TT电子和美国中央半导体。对于功率器件，SiC相对于硅的优势包括更高的效率，更低的损耗，更高的开关频率，可以去掉一些无源元件以保持紧凑的设计，以及更高的击穿电压（几十千伏）。SiC在功率电子设计中可实现更快的运行速度，以及尺寸更小的磁性元件。

这些特性使得SiC适用于高功率（>1200V，>100千瓦），耐高温（200°- 400°C）的应用，同时也适用于要求较松的使用。可再生能源发电（太阳能逆变器和风力涡轮机），地热能（潜孔钻），汽车（混动汽车/电动汽车），交通（飞机，船舶和铁路牵引），军用系统，太空计划，工业电机驱动，不间断电源，和离线电源中的功率因数校正（PFC）升压级，这些应用均适合使用SiC功率器件。

作为一种新兴技术，SiC比硅的生产成本更高，导致GaN的低成本优势显现，基于GaN的功率器件现在刚刚进入市场。这些器件表现为在一个SiC或者硅衬底上连接GaN，否则同时使用GaN衬底代价将非常高昂。尽管降低了成本，以及保持了SiC一样超出于硅的性能优势，但与基板的不匹配降低了GaN的高理论热传导率，实际值也略低于硅。GaN-on-Si类WBG的优势包括：高电压操作，高开关频率和出色的可靠性 特别是预期最早在2015年GaN-on-Si的价格将与硅相同，这样基于GaN的功率器件将对亚900 V应用有很大的吸引力。随着成本下降，GaN功率器件也将出现在下一代消费电子产品中，因为这些产品对尺寸大小、效率以及价格非常敏感。

SiC功率半导体2013年的销售额为大约2亿美元，但预计在未来数年将飞速增长，一些预测估计，到2022年销售额将接近18亿美元。尽管GaN功率器件刚刚进入市场，但同期（2022年）销售额预计将超过10亿美元。虽然预期SiC和GaN功率器件将获得指数级增长，考虑到2020年全球功率半导体市场的价值估计约为650亿美元（IHS / IMS研究），很显然未来几年硅的市场价值仍将持续。在低功低压市场中尤其如此，而这里主要采用窄带隙材料。低功低压市场的新材料开发仍处于起步阶段。例如，石墨烯、零带隙材料，由于其独特的性能，已经带来了诸多惊喜。石墨烯具有可调整的带隙，优异的导电性，耐久性，重量轻，直到最近的2004年才分离出来。有趣的是，在低压（?10 -6托）加热SiC到高温（> 1100℃）时，SiC就转换成石墨烯。

WBG在RF中的应用

TriQuint和Cree等厂商也供应基于GaN的射频器件，它们以相似的价格在物理和性能上提供了相对于硅的关键优势。GaN的高功率密度会带来更小的器件和系统，其主要原因是输入和输出电容得以减少，同时运行带宽得以增加。GaN的高击穿场允许更高的工作电压，也简化了阻抗匹配。GaN器件的宽带能力提供了很宽的频率范围，以同时覆盖应用的中心频率，以及该信号的调制带宽。GaN在更高效率运行时损耗也更低。GaN垂直器件也可以具有比SiC更好的导电性，但目前实现这一点并非容易之事，因为在合理成本下缺乏均匀的GaN衬底。

在RF应用中GaN应用的重点是HEMT和MMIC器件。GaN催生了高性能的HEMT和MMIC，从而推进了高性能RF应用的发展。HEMT是一种集成了两种不同带隙材料组成的结的场效应晶体管，使它比普通晶体管的运行频率更高。如果在高频率运行时需要高增益和低噪音，这类应用最好使用HEMT器件。而MMIC则是运行于微波频率（300MHz至300GHz）的集成电路。典型的设备功能包括高频开关，微波混频，功率放大，以及低噪声放大。GaN射频器件的终端应用包括宽带放大器，雷达，电信基站，军事通信和卫星通信。

WGB在光电和照明行业中的应用

WBG材料应用在LED中已经有段历史。首次LED展示是在1907年，使用的材料是SiC；而第一代商用LED出现是在20世纪60年代到80年代，也同样基于SiC。90年代初，GaN的关键进展表明，它可以比SiC生成10到100倍的亮光。这个进展为大家带来了第一款亮度蓝光LED的问世，从此之后，固态照明产业的曙光到来，主要依赖于基于涂荧光粉的蓝色LED生成白光照明。快进到目前，我们见证了LED照明市场已经售出数十亿个LED灯，预计未来数年LED照明销售仍将迎来巨大增长。 到2018年，LED照明的销售额有望超越传统的白炽灯泡。IHS / IMS Research预测，到2020年，在发达地区，LED将占据五分之四的插座，白炽灯泡则只有2%，而节能灯则填补剩下的份额。

尽管初始成本较高，但推动它如此大规模应用的背后动力在哪？答案在于效率高，耐久性好，以及LED照明环保。显著的能源节约和较长的寿命，促使LED照明更具吸引力，并替代了基于灯丝的传统白炽灯照明。LED照明还为CFL灯泡提供了一种无水银型替代品。白炽灯将其能量的90%转换为热量，剩下的10%转换为光。而LED将90%的能源转换光，10%则为热量。

LED还应用于照明之外的其它领域。例如，LED的高开关速度满足了电视等显示应用中的快速开启/关闭需求并达到了理想的效果。手机背光，汽车照明，航空照明，广告显示屏，交通信号，甚至手电筒则是其它的一些LED流行应用。

GaN还可以用于生成蓝色、紫色和紫外（UV）的激光二极管。蓝光播放器，投影系统，激光打印和医疗成像都是使用蓝色或紫色激光的技术。水印防伪检测，医疗器械消毒和灭菌，以及水/空气净化则是一些紫外线激光应用。

Cree，安华高科技，松下，LED ENGIN，欧司朗光电半导体，飞利浦LumiLED，是WBG LED产品的一些主要供应商，它们的产品都可以通过贸泽电子进行购买。

结论

2015年，全球半导体市场预计将达到3280亿美元。考虑到目前的基础以及硅的限制仍存在有很多利害关系。WBG半导体已经出现并开始迁移到更好的材料，推动WBG以我们所期望的快速技术步伐向前发展。早期的器件已经在功率，RF，照明和光电领域获得了实用证明，为一些其它领域（如微控器）机会奠定了基础。

例如，松下600V的GaN微控器套件，优化了GaN晶体管，提供了业界最小、效率最高的电源控制方案。SiC功率器件最大影响是在可再生能源应用领域，例如太阳能和风能发电系统和电网存储。由于高耐热性、尺寸和重量降低以及效率增益方面的优势，SiC和GaN功率器件预计将在汽车和运输系统获得良好应用。高性价比的GaN功率和射频器件将会出现在IT，通信，工业和消费类电子，以及将大举进入更广泛的应用。GaN主导了蓝色、紫色和紫外线激光LED照明技术的发展。

需要注意的是，硅经过近60年的发展才取得了目前的成就，因此合理的看法是，WBG和其它新兴技术要取代硅仍然需要一段时间。围绕WBG半导体周围的是一片乐观情绪，但仍然存在一些其它重大的挑战，除了目前最迫切的降低成本，以及优化封装从而全面发挥WBG材料的潜能。此外，在照明领域中，随着市场饱和，LED的长寿命也提出了新挑战。如果没有持续的创新（如开发不带荧光粉的白光LED）以驱动向新产品转变，大型、昂贵的LED晶圆厂将会出现产能浪费。尽管如此，考虑到巨大的潜力，我们可以期待看到WBG半导体更广阔的前景。

贸泽电子致力于为设计师使用WBG半导体进行评估、设计和开发方面提供支持。在贸泽电子丰富的WBG半导体产品组合中可以找到SiC和GaN 的最新产品。

作者：Landa Culbertson, Mouser Electronics

作者简介

Landa 来自德州达拉斯，拥有电子工程学士学位，她有十八年的电子行业从业经验，曾就职于新创企业和500强企业。

出处：贸泽电子公共号
微信号：mouserelectronics