好像習(xí)大大最近去英國還專程看了華為英國公司的石墨烯研究，搞得國內(nèi)好多石墨烯材料的股票大漲，連石墨烯內(nèi)褲都跟著炒作起來了~~小編也順應(yīng)潮流聊聊半導(dǎo)體材料那些事吧。

十年前，我剛畢業(yè)進(jìn)入方正，當(dāng)年我們的定位是SiGe，工號(hào)100以內(nèi)的人曾經(jīng)的郵箱后綴都是@sige.cn，好高大上，雖然后來還是順應(yīng)潮流走了Si工藝(現(xiàn)在已是6寸的佼佼者)。實(shí)際上SiGe只是實(shí)驗(yàn)室里的花瓶，雖然不如他但是卻很成熟的有GaAs，比它牛的材料有SiC，所以注定了SiGe不會(huì)商業(yè)化，我在學(xué)校的時(shí)候也只是看到24研究所有研究過。

好吧，再回來聊我們的半導(dǎo)體材料，世界上最早的半導(dǎo)體材料是Ge，后來才是Si，主要是便宜因?yàn)樵牧鲜巧匙尤≈唤哂弥槐M，所以硅/Si一直統(tǒng)治了半導(dǎo)體領(lǐng)域大半個(gè)世紀(jì)。但是隨著摩爾定律的驅(qū)策，我們已經(jīng)走到了原子級(jí)導(dǎo)致了很多擊穿以及漏電等技術(shù)難題，所以到了10nm以下將迎來Si時(shí)代的終結(jié)，至于是不是IBM研發(fā)的石墨烯7nm晶體管我們還是期待吧，說不定我們tsmc能夠延續(xù)Si-7nm呢。

在講新材料之前我們還是把理論鋪墊一下，不然后面講解就純屬無稽之談了。半導(dǎo)體材料的選擇無非就是兩個(gè)因素：一是載流子遷移率μ(Carrier Mobility)，二是禁帶寬度Eg (臺(tái)灣稱“帶隙”, Forbidden band)。而遷移率與電場、載流子質(zhì)量、材料晶格密度(碰撞散射)相關(guān)，這個(gè)沒什么理論，但是禁帶寬度就要好好講講了，教科書里的理論是價(jià)帶低與導(dǎo)帶頂之間就是禁帶，而禁帶寬度越小則電子容易從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶形成自由電子-空穴對(duì)(Electron-Hole pair)參與導(dǎo)電，當(dāng)然這也就是我們講的雪崩擊穿或漏電的產(chǎn)生機(jī)理。

講完了理論，我們自然就可以得出選擇半導(dǎo)體材料的guideline是：對(duì)于Logic制程(CPU)來講，我們要的是速度需要選擇高的載流子遷移率的材料。但是對(duì)于功率器件或者低功耗來講，我們選擇的是擊穿電壓高以及低漏電的高禁帶寬度(Eg)的材料。下面就這兩方面分別來做學(xué)習(xí)：

1、Logic制程的材料選擇：

我們摩爾定律一直驅(qū)策的CPU以及AP處理器都是Logic制程(至少40nm以下還沒有出現(xiàn)過HV、BCD、eFlash等產(chǎn)品)，它的要求是小而美且速度快。根據(jù)我們上面提到的guideline，所以如果Si走到了盡頭，我們的選擇一定是高遷移率的第四主族元素(C, Si, Ge)，只能是碳了。而碳里面遷移率最高的一定就是石墨了，還記得小時(shí)候我們拆解手電筒一號(hào)電池拿里面的柱狀電極寫字不？O(∩_∩)O哈哈~那個(gè)就是石墨，之所以用它就是因?yàn)樗鼘?dǎo)電性好。

但是石墨本身是個(gè)層狀晶體結(jié)構(gòu)，但層與層之間沒有鍵合而很容易滑動(dòng)(潤滑劑)，因?yàn)榘雽?dǎo)體材料必須是單晶結(jié)構(gòu)，所以只能使用單層的石墨，也就是我們的石墨烯(Graphene)。

拜讀了《華為為何投資石墨烯》一文，石墨烯有很好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、透光特性(98%透光率)，以及高強(qiáng)度、超輕薄、超大表面積(六面體)、柔韌性好等集眾多優(yōu)點(diǎn)與一身的寶貴材料，高級(jí)！僅透光性好我覺得就可以替代TFT-LCD屏的ITO透光導(dǎo)電膜，以及結(jié)合柔韌性好可以制造彎曲屏幕代替OLED，再夸張點(diǎn)用石墨烯做的MOS是不是可以做透明手機(jī)了。。。扯遠(yuǎn)了

回顧我們硅時(shí)代的CPU主頻極限是3G~4G (實(shí)際2~3G)，因?yàn)槟氵^高的頻率會(huì)使得溫度升高而燒毀，所以即使在液氮下也只能達(dá)到8.4G的頻率。但是石墨烯的載流子遷移率是Si的10倍，并且導(dǎo)熱性好，理想主頻可以達(dá)到300G，當(dāng)然那只是理論，IBM的中國臺(tái)灣工程師Lin Yu-ming在2011年的Science上發(fā)表的首次做到了全晶圓尺寸石墨烯的集成電路的主頻也只有155G，當(dāng)然這已經(jīng)足以甩開硅基CPU幾個(gè)世紀(jì)了。

雖然現(xiàn)在7nm的晶體管已經(jīng)搞出來了，但是我個(gè)人覺得如果要遵循摩爾定律它就不可能在2~3年量產(chǎn)，因?yàn)槟壳盀橹惯€有很多技術(shù)難題。石墨烯雖然導(dǎo)電超好，知道它為什么好嗎？根據(jù)前面講的能帶理論，只有進(jìn)入到導(dǎo)帶的電子才參與導(dǎo)電，而金屬為什么導(dǎo)電性好就是因?yàn)樗鼉r(jià)帶和導(dǎo)帶在一起，而石墨烯本身也是類似金屬的無帶隙(沒有禁帶)的材料，對(duì)于半導(dǎo)體來講這可是致命的，半導(dǎo)體器件講究的是個(gè)邏輯，即所謂的“0”和“1”，需要靠控制禁帶寬度的躍遷來實(shí)現(xiàn)的，你如果沒有禁帶還怎么玩？所以我們必須人工植入一個(gè)帶隙——但是簡單植入又會(huì)使石墨烯喪失它的獨(dú)特屬性，從而破壞二維晶體周期性結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)制，可是破壞晶體周期性會(huì)影響材料遷移率，從而降低頻率。所以這就是技術(shù)挑戰(zhàn)。當(dāng)然我認(rèn)為華為投資跟IBM的方向是不一樣的，畢竟它不搞半導(dǎo)體制造，所以它應(yīng)該看中的是電池以及其他應(yīng)用吧。

半導(dǎo)體石墨烯的前途是光明的、道路是曲折的！

2、功率半導(dǎo)體：

再來聊聊另外一個(gè)半導(dǎo)體領(lǐng)域功率器件領(lǐng)域吧，現(xiàn)在流行一個(gè)詞叫做“寬禁帶半導(dǎo)體”，其實(shí)就是指以GaN、SiC為代表的化合物半導(dǎo)體材料憑借它的擊穿電場強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率大、介電常數(shù)小、抗輻射能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠大幅提升電子器件的高壓、高頻、高功率工作性能，所以無論是在學(xué)術(shù)界還是工業(yè)界，尤其是GaN已經(jīng)達(dá)到了空前繁盛的階段。

功率器件講究的是耐壓和低噪聲，先講噪聲吧，其實(shí)對(duì)于功率器件來講就是開關(guān)過程中的power loss，而power loss就是阻礙頻率的主要因素，以耳機(jī)為例，當(dāng)開關(guān)頻率高于人耳分辨頻率上限20kHZ的時(shí)候，則幾乎沒有噪聲了，那我們還需要電容電感來過濾噪聲嗎？而耐壓就比較單純，但是如果我們選擇了寬禁帶材料那我們就可以同樣擊穿電壓下提高載流子濃度來降低導(dǎo)通電阻(濃度提高則禁帶寬度變窄，擊穿變低)。以目前學(xué)術(shù)界普遍研究的寬禁帶就是SiC和GaN了，他們的禁帶寬度是硅的3倍(很難碰撞電離產(chǎn)生電子空穴對(duì)而擊穿)，所以擊穿電場可以達(dá)到硅的10倍，所以同樣的擊穿電壓下，Rdson可以降低1/300~1/1000 (因?yàn)閷?dǎo)通電阻與擊穿電壓成三次方反比)。

另外再講一個(gè)工作溫度的問題，我們半導(dǎo)體器件的SPICE model一般是-40C~85C，即使是功率器件也不會(huì)超過125C，為什么？因?yàn)檩d流子在溫度升高的時(shí)候先加速所以遷移率會(huì)加快，可當(dāng)溫度高于某個(gè)溫度的時(shí)候載流子會(huì)發(fā)生大規(guī)模晶格散射產(chǎn)生電子空穴對(duì)而擊穿燒毀，所以很多discrete功率器件都要單獨(dú)配散熱片的。而GaN和SiC因?yàn)榻麕挾却螅约词古鲎沧疃嘁簿褪墙档瓦w移率而已，但是不會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，所以還可以繼續(xù)工作，理論上溫度可以超過500C。這以后還需要散熱嗎？O(∩_∩)O~我想應(yīng)該是怎么提高周邊物體的燃點(diǎn)比較重要(開個(gè)玩笑，那么高的溫度你也沒法用~)。

GaN和SiC的特點(diǎn)都是很硬，SiC在FAB里面都是用來做高溫的tube代替石英tube，而GaN更硬用來做剎車耐磨層或防彈層。而這種異質(zhì)結(jié)化合物半導(dǎo)體材料只能靠分子束外延來完成，但是最大的挑戰(zhàn)應(yīng)該是單晶材料的缺陷問題(晶格位錯(cuò))，以GaN為例目前還只能制作出橫向結(jié)構(gòu)的器件(HEMT)，而SiC因?yàn)榕cSi非常相似，可以直接在表面生長SiO2，可以制作平面的MOSFET結(jié)構(gòu)，目前還是主要做PIN二極管和SBD(肖特基)，另外在車載和電動(dòng)汽車領(lǐng)域它甚至可以替代IGBT，將功耗損失降低到1/10實(shí)現(xiàn)高頻高速開關(guān)。

國際上目前能夠商業(yè)化提供GaN和SiC的應(yīng)該只有英飛凌和國際整流(IR)，還有少量的EPC, GaN system和Transphorm(貌似transphorm是后期之秀)，隨著技術(shù)的成熟現(xiàn)在首先要做的因該是開發(fā)屬于自己的IP技術(shù)搶占市場。根據(jù)法國Yole Development的《GaN和SiC器件電子技術(shù)與應(yīng)用》描述，到2015年GaN市場收入僅1000萬美金，但是從2016年開始年復(fù)合增長率(CAGR)會(huì)以93%的成長，到2020年達(dá)到3億美金。而國內(nèi)的研究都是中科院的材料所(物理所、半導(dǎo)體所等)還有微電子所搞軍工雷達(dá)等，而國內(nèi)的生產(chǎn)線應(yīng)該是西安的三安光電吧，他們是GaNHEMT技術(shù)，還有昆山的Anadigics，而南京的國芯就不知道了。

簡單講，SiC適合做高壓開關(guān)管，因?yàn)樗梢岳猛|(zhì)外延易于制備縱向結(jié)構(gòu)的器件提高耐壓性能電壓(>1200V)。而GaN只能做橫向結(jié)構(gòu)的器件，所以只適合做中低壓(~600V)但是高頻功率放大器，而目前主流的高頻功率放大器(PA)還只是GaAs的天下，比如無線基站、衛(wèi)星通訊、雷達(dá)等。將來的5G基站應(yīng)該就是要依賴GaN了，還有RF switch以及Filter等都是GaN的市場，另外傳說“宙斯盾”驅(qū)逐艦的相控陣雷達(dá)已經(jīng)開始換裝GaN產(chǎn)品了，我們的研究所要加速了，不然怎么搞電子對(duì)抗啊，呵呵。