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關于寬帶隙半導體與硅的對比分析

貿澤電子 ? 來源:djl ? 作者:Landa Culbertson, Mou ? 2019-08-28 12:31 ? 次閱讀

50多年前硅(Si)集成電路的發明意義重大,為我們當前所享受的現代計算機和電子產品時代鋪平了道路。但是正如俗話所說,天下沒有不散的筵席,現在存在疑問的是,硅在半導體行業的霸主地位將何時終結?據摩爾定律預測,一個芯片上集成的晶體管數量大約每兩年翻一番。對于傳統的硅計算來說,摩爾定律不可能無限期持續,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更大的功率密度和能效,已經越來越成為一個巨大的挑戰。從本質上講,芯片的演進已經接近其基礎物理極限。

根據一些專家的說法,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電和存儲。 WBG功率器件還可以提升現有應用表現,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的轉換效率從85%增加到95%;將AC到DC的轉換效率從85%提高至90%;并將DC到AC轉換效率從96%優化到99%。

關于寬帶隙半導體與硅的對比分析

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,這一現象創造了更多的用戶和更多的數據,已經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材料也可以發光,這種光屬性助推了近年來WBG半導體的快速發展。事實上,固態照明行業正在使用基于GaN的發光二極管LED),來成為白熾燈泡的替代品,因為后者在節能、耐用、壽命方面表現更佳,這種高效也會促進LED照明在未來幾年銷售的大規模增長,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是藍光播放器。

關于寬帶隙半導體與硅的對比分析

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,也激發了新型應用的出現。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。

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