新一代功率器件将在2013年迎来技术大挑战

2013-01-29 13:22:46来源: 互联网
2013年1份月已过去大半,笔者想在此介绍一个2013年将受关注的领域。虽然这样的领域很多,但笔者此次要说的是SiC及GaN等新一代功率半导体的动向。该领域之所以会受到关注,是因为在2013年,新一代功率半导体的使用范围有望继2012年之后继续扩大。

  2012年,SiC二极管在铁路领域及工业设备领域的采用趋于活跃。伴随这一趋势,SiC功率元件的开发也在加快。配备SiC二极管以及SiC MOSFET的“全SiC”功率模块产品的亮相,成为2012年一大热点新闻

  而GaN功率元件也一样,在2012年取得了巨大进展。耐压600V的GaN功率晶体管于2012年亮相,而以前产品的最大耐压只有200V。

  因此,简单地说,SiC及GaN功率元件与数年前相比,有种一下子来到身边的感觉。这些元件与使用Si的功率元件相比,能够高速开关,因此可大幅减小开关损失。另外还能实现以更高频率开关的“高频工作”。这样一来,电感器等周边部件便可轻松实现小型化。而且这些新型功率元件还可“高温工作”,可使冷却器的体积更小。

  而实际上,要想利用高速开关、高频工作及高温工作这些优点,还必须要解决诸多课题。比如,高速开关要求防止浪涌、瞬变及电磁噪声的发生;高频工作存在电抗损失增大的问题;而高温工作则需要使用低价格的周边部件,同时必须要在超过200℃的温度下实现稳定工作。要解决这些课题,就必须积累新技术。

  碳化硅、氮化镓成为第三代半导体材料

  半导体是介于导体和绝缘体之间的材料,自1947年12月23日正式发明后,在家电、通信、网络、航空、航天、国防等领域得到广泛应用,给电子工业带来革命性的影响。

  2010年,全球半导体市场达到2983亿美元,拉动上万亿美元的电子产品市场。

  伴随着半导体市场的壮大,半导体材料也不断获得突破。

  一般将锗和硅称为第一代半导体材料。

  将砷化镓、磷化铟等称为第二代半导体材料,而将宽禁带的碳化硅、氮化镓和金刚石等称为第三代半导体材料。

  第一代材料中,12英寸单晶硅已经大规模生产,18英寸单晶硅已在实验室研制成功,全球每年集成电路中的硅用量大约2万吨。

  多晶硅方面,由于国内产品纯度不够,我国集成电路所用硅片基本靠进口。

  2011年,我国多晶硅产量为5万吨。

  硅基微电子技术方面,国际上8英寸已经广泛用于大规模集成电路,我国现有5~12英寸集成电路线约38条。

  在工艺水平上,国际上12英寸45纳米工艺也投入工业生产,预计2016年开发出16纳米工艺。

  但我国还停留在0.18微米、90纳米、65纳米水平上,只有少数企业拥有45纳米工艺。

  到2015年,我国将拥有多条45~90纳米的8英寸、12英寸生产线。2022年进入国际前列。

  不过随着集成度提高,硅晶片会遇到很多困难,例如芯片功耗急剧增加,极有可能将硅片融掉。

  国际上预计,2022年将达到“极限”尺寸——10纳米。

  因此,硅基微电子技术最终将无法满足人类对信息量不断增长的需求。

  人们目前开始把希望放在发展新型半导体材料和开发新技术上。

  以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等为代表的第二代半导体材料不断向硅提出挑战。

  它可以提高器件和电路的速度,以及解决由于集成度的提高带来的功耗增加而出现的问题。

  GaAs、InP等材料被广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS导航等领域。直径为2、4、6英寸的GaAs已经得到商业化应用,8英寸的也已经在实验室研制成功。

  氮化镓、碳化硅、氧化锌等为代表的第三代半导体材料也发展很快,这些材料都是宽带隙半导体材料。它具有禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、电子饱和漂移速度快、介电常数小等特征,能够在很多领域得到广泛应用。例如在半导体白光照明方面,到2015年,我国将开发出150lm/W的半导体照明灯,电压只需要3~4伏,非常安全和节能。

  半导体材料发展的趋势是由三维体材料向低维材料方向发展。目前,基于GaAs和InP基的低维材料已经发展得很成熟,广泛地应用于光通信、移动通讯、微波通讯的领域。

  实际上,这些低维半导体材料亦即纳米材料。半导体纳米科学技术的应用,将从原子、分子、纳米尺度水平上,控制和制造功能强大、性能优越的人工微结构材料和基于它们的器件和电器、电路,极有可能触发新的技术革命,使人类进入变幻莫测的量子世界。

关键字:功率器  技术大挑战

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/0129/article_17951.html
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