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