新一代功率器件將在2013年迎來(lái)技術(shù)大挑戰(zhàn)

　　2013年1份月已過(guò)去大半，筆者想在此介紹一個(gè)2013年將受關(guān)注的領(lǐng)域。雖然這樣的領(lǐng)域很多，但筆者此次要說(shuō)的是SiC及GaN等新一代功率半導(dǎo)體的動(dòng)向。該領(lǐng)域之所以會(huì)受到關(guān)注，是因?yàn)樵?013年，新一代功率半導(dǎo)體的使用范圍有望繼2012年之后繼續(xù)擴(kuò)大。

　　2012年，SiC二極管在鐵路領(lǐng)域及工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域的采用趨于活躍。伴隨這一趨勢(shì)，SiC功率元件的開發(fā)也在加快。配備SiC二極管以及SiC MOSFET的“全SiC”功率模塊產(chǎn)品的亮相，成為2012年一大熱點(diǎn)新聞

　　而GaN功率元件也一樣，在2012年取得了巨大進(jìn)展。耐壓600V的GaN功率晶體管于2012年亮相，而以前產(chǎn)品的最大耐壓只有200V。

　　因此，簡(jiǎn)單地說(shuō)，SiC及GaN功率元件與數(shù)年前相比，有種一下子來(lái)到身邊的感覺(jué)。這些元件與使用Si的功率元件相比，能夠高速開關(guān)，因此可大幅減小開關(guān)損失。另外還能實(shí)現(xiàn)以更高頻率開關(guān)的“高頻工作”。這樣一來(lái)，電感器等周邊部件便可輕松實(shí)現(xiàn)小型化。而且這些新型功率元件還可“高溫工作”，可使冷卻器的體積更小。

　　而實(shí)際上，要想利用高速開關(guān)、高頻工作及高溫工作這些優(yōu)點(diǎn)，還必須要解決諸多課題。比如，高速開關(guān)要求防止浪涌、瞬變及電磁噪聲的發(fā)生；高頻工作存在電抗損失增大的問(wèn)題；而高溫工作則需要使用低價(jià)格的周邊部件，同時(shí)必須要在超過(guò)200℃的溫度下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作。要解決這些課題，就必須積累新技術(shù)。

　　碳化硅、氮化鎵成為第三代半導(dǎo)體材料

　　半導(dǎo)體是介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料，自1947年12月23日正式發(fā)明后，在家電、通信、網(wǎng)絡(luò)、航空、航天、國(guó)防等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，給電子工業(yè)帶來(lái)革命性的影響。

　　2010年，全球半導(dǎo)體市場(chǎng)達(dá)到2983億美元，拉動(dòng)上萬(wàn)億美元的電子產(chǎn)品市場(chǎng)。

　　伴隨著半導(dǎo)體市場(chǎng)的壯大，半導(dǎo)體材料也不斷獲得突破。

　　一般將鍺和硅稱為第一代半導(dǎo)體材料。

　　將砷化鎵、磷化銦等稱為第二代半導(dǎo)體材料，而將寬禁帶的碳化硅、氮化鎵和金剛石等稱為第三代半導(dǎo)體材料。

　　第一代材料中，12英寸單晶硅已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)，18英寸單晶硅已在實(shí)驗(yàn)室研制成功，全球每年集成電路中的硅用量大約2萬(wàn)噸。

　　多晶硅方面，由于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品純度不夠，我國(guó)集成電路所用硅片基本靠進(jìn)口。

　　2011年，我國(guó)多晶硅產(chǎn)量為5萬(wàn)噸。

　　硅基微電子技術(shù)方面，國(guó)際上8英寸已經(jīng)廣泛用于大規(guī)模集成電路，我國(guó)現(xiàn)有5～12英寸集成電路線約38條。

　　在工藝水平上，國(guó)際上12英寸45納米工藝也投入工業(yè)生產(chǎn)，預(yù)計(jì)2016年開發(fā)出16納米工藝。

　　但我國(guó)還停留在0.18微米、90納米、65納米水平上，只有少數(shù)企業(yè)擁有45納米工藝。

　　到2015年，我國(guó)將擁有多條45～90納米的8英寸、12英寸生產(chǎn)線。2022年進(jìn)入國(guó)際前列。

　　不過(guò)隨著集成度提高，硅晶片會(huì)遇到很多困難，例如芯片功耗急劇增加，極有可能將硅片融掉。

　　國(guó)際上預(yù)計(jì)，2022年將達(dá)到“極限”尺寸——10納米。

　　因此，硅基微電子技術(shù)最終將無(wú)法滿足人類對(duì)信息量不斷增長(zhǎng)的需求。

　　人們目前開始把希望放在發(fā)展新型半導(dǎo)體材料和開發(fā)新技術(shù)上。

　　以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等為代表的第二代半導(dǎo)體材料不斷向硅提出挑戰(zhàn)。

　　它可以提高器件和電路的速度，以及解決由于集成度的提高帶來(lái)的功耗增加而出現(xiàn)的問(wèn)題。

　　GaAs、InP等材料被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、移動(dòng)通訊、光通信、GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。直徑為2、4、6英寸的GaAs已經(jīng)得到商業(yè)化應(yīng)用，8英寸的也已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室研制成功。

　　氮化鎵、碳化硅、氧化鋅等為代表的第三代半導(dǎo)體材料也發(fā)展很快，這些材料都是寬帶隙半導(dǎo)體材料。它具有禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度快、介電常數(shù)小等特征，能夠在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如在半導(dǎo)體白光照明方面，到2015年，我國(guó)將開發(fā)出150lm/W的半導(dǎo)體照明燈，電壓只需要3～4伏，非常安全和節(jié)能。

　　半導(dǎo)體材料發(fā)展的趨勢(shì)是由三維體材料向低維材料方向發(fā)展。目前，基于GaAs和InP基的低維材料已經(jīng)發(fā)展得很成熟，廣泛地應(yīng)用于光通信、移動(dòng)通訊、微波通訊的領(lǐng)域。

　　實(shí)際上，這些低維半導(dǎo)體材料亦即納米材料。半導(dǎo)體納米科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，將從原子、分子、納米尺度水平上，控制和制造功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的人工微結(jié)構(gòu)材料和基于它們的器件和電器、電路，極有可能觸發(fā)新的技術(shù)革命，使人類進(jìn)入變幻莫測(cè)的量子世界。