新一代功率器件将在2013年迎来技术大挑战

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。