硅时代的终结者-《石墨烯、SiC、 GaN》

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、介电常数孝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。