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我国半导体技术创新应用形势研究分析
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已阅：697 2012-6-14 8:34:04 |
半导体器件的创造和使用深入地改动了近50年的人类前史开展历程。进入21世纪，半导体器件无处不在，已成为修建信息化社会的基石。还，电力半导体在进步电力转换效率方面的效果使之成为修建低碳社会的基石。半导体技能的节能结果是不言而喻的。世界首台采用电子管的电子核算机ENIAC重达30吨，耗电量高达200kW，而现在具有相同功用的半导体核算设备分量仅为几克，耗电量缺乏1W。还，电力半导体在太阳能光伏和风力发电安装的电能转换、贮存、保送进程中发扬着要害性效果。可见，可再生动力应用和动力转换安装效率的进步都离不开半导体技能的立异使用。
硅Si器件阅历了多年的开展曾经改动了家用电器的相貌，直流调速技能曾经成为家用空调以及其他电机进步效率的首要技能办法。值得存眷的是，碳化硅SiC、氮化镓GaN和氧化镓Ga2O3等新型器件的技能开展，除可经过削减器件能耗进步电力转换效率之外，将在减少外形尺寸、进步耐热功能等方面促进家用电器技能开展。
进步动力应用效率是一个寄义普遍的课题。就家用电器而言，狭义的进步效率首要是进步家用电器在运转进程中的动力应用效率。当前，列国根本已对家用电器的动力应用效率睁开监管，能效标签、能效品级准则是较为经常见的监管方法。而广义的进步效率还需求思索制造进程的动力耗费、原资料能耗、运转进程中心接的能效影响。本文评论的效率问题仅限于狭义局限，且只针对应用技能提高完成动力应用效率进步的办法，并将着重论述电力半导体对进步家用电器动力应用效率的效果。
电力半导体的资料替代
家庭用电约占美国社会总用电量的1/3。据猜测，将来10年，美国度庭数目将增进11%，而得益于电力半导体技能，美国度庭用电量将仅添加6%。有查询申报指出：美国一切电力使用中的6%~10%是电源从交流AC转换为直流DC，因为现有电源效率欠佳，美国电力总耗费的3%~4%是在电源内部耗费的;以改良产物设计、运用微电子节制器件以及场效应管FET和二极管等电力半导体来进步电源效率，可以节流美国电力总耗费的1%~2%。这意味着电力半导体技能具有每年节流30亿~60亿美元的潜能。
现在，电力半导体技能的开展不只表现在使用日益普遍的高效率LED照冥具具上，即便在空调、冰箱、洗衣机、电磁灶等大功率家电范畴，电力半导体的使用也已超出节制器驱动电源的局限。大功率电力半导体驱动技能改动了产物原有的运转方法和能量转换进程，节能结果明显。进步家用电器的电源转换效率和降低待机能耗是当前遍及采用的节能办法。半导体系体例造企业、电力转换部件制造企业以及家用电器整机制造企业正在起劲使这些损耗变得更小。
电机是大都白色家电的首要耗电部件，固然调速节制和变扭矩节制技能在进步电机效率方面的效果早已为人所知，并在工业范畴获得普遍使用，然则在电力半导体呈现前，这些技能难以使用于构造紧凑、维护相对不方便的家用电器中。例如，具有调速功用的直流电机在装备半导体换向器之前，运用的是机械换向器，而机械换向器的寿命凡间缺乏1000h，并使得驱动电源体积重大、价钱昂扬。20世纪70年月末，日本企业将电力半导体技能使用于空调制冷紧缩机的调速节制，根本完成整机10万h免维修，还令驱动电源的外形尺寸大大减少，可放置于空调内部，且价钱大幅降低。日本市场在不到10年的工夫内根本完成了从定转速到变频调速的改变。固然变频电源耗费了约10%的电能，然则应用变频调速在运转进程中的变速、变扭矩功用，可使房屋空调电力耗费均匀降低约30%。还，在冬天热泵运转形式下具有大幅度进步制热量的才能，这也促进了热泵供热技能的普遍使用。
在变频器和变压器等安装中起开关效果的电力半导体，如金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、绝缘栅极型双极晶体管IGBT和二极管等的技能开展趋向是，从当前主流的Si半导体资料向SiC和GaN等化合物半导体资料改变，在进步效率和削减体积方面获得严重提高。
德国弗劳恩霍夫Fraunhofer使用研讨促进协会太阳能系统研讨所ISE当前曾经将太阳能光伏发电安装配套的逆变器效率进步到98.5%，新逆变器的功率损掉比该机构原有同类逆变器下降了50%左右。该机构在额外功率为5kW的单相逆变器上采用SiC器件替代Si器件，成为效率明显进步的要害。这些SiC器件由美国科锐Cree公司出产，该公司在2010年曾经处理了直径6英寸SiC底板的制造工艺问题，并完成批量出产，为SiC器件制形成本的大幅下降发明了前提。
新型半导体器件的较高效率提拔首要是由于器件内部功耗较低。在一样的电路构造下，将二极管从Si资料换成SiC资料，功耗可降低约30%;假如还交换晶体管，功耗可降低约50%。功耗降低，发烧量也随之下降，然后完成电力转换器件的节能化。
除功耗低外，GaN和SiC还具有适于小型化的特征。起首，以上述两种资料制成的器件可以完成数倍于Si元件的高速开关，使得电感器等外围电路部件的尺寸大幅下降，然后完成电力转换安装电路的小型化。其次，SiC和GaN元件还可在Si元件无法顺应的200℃以上的高温情况下任务，在发烧量一样的状况下，可以减小电力转换器件冷却安装的外形尺寸。
跟着GaN和SiC电力半导体财产化措施的加速，开拓充沛应用其特征的新型外围电路成为燃眉之急，例如可完成高速任务的驱动电路设计、以高频开关为前提的电磁噪声对策等。要使这些电力半导体在超越200℃的高温情况下任务，除了采用耐热性高且低价位的焊锡资料，在芯片装置方面，还需采用耐高温的封装资料。这些外围电路技能的提高，是发扬GaN和SiC器件效能的要害。
碳化硅器件财产化
2010年10月，日本三菱电机公司公布于2011冷冻年度开端发卖采用SiC制造的肖特基势垒二极管SBD作为直流调速紧缩机驱动电源的家用空调。这是世界上首件使用SiC电力半导体的家用电器，标记着家用电器行业以SiC为代表的新一代电力半导体财产化的开端。
第一批采用SiC器件的家用空调是三菱电机雾峰MoveEye系列产物，包罗额外制冷量为2.8kW的MSZ-ZW281S以及额外制冷量为3.6kW的MSZ-ZW361S两个型号。依照方案，雾峰MoveEye系列将掩盖额外制冷量2.2kW~7.1kW的局限，其他型号产物将陆续以SiC器件替代Si器件。固然当前SiC器件的价钱依然较高，然则三菱电机并未将本钱转变反映在整机价钱上，而是以让利方法自行消化了添加的本钱。
这批空调仍运用绝缘栅极型双极晶体管IGBT，将Si二极管改为SiC-SBD，仅用于直流调速紧缩机驱动电源。从节能角度来说，采用SiC-SBD，紧缩机驱动电源的电能转换损掉可削减约60%，空调整机耗电量约削减2%。假如需求进一步进步电能转换效率及减少驱动电源外形尺寸，还需将其他电力半导体悉数改为SiC器件，完成以SiCMOSFET替代IGBT。三菱电机此举旨在促进SiC市场加快开展，使SiC器件的价钱尽快进入合理区间，还力争在2013~2014年完成SiCMOSFET的财产化目的，然后在电力半导体市场获得竞争优势。三菱电机方案将IGBT悉数交换为SiCMOSFET，SiC器件将不只使用于紧缩机驱动电源，还将使用在主节制板的电源局部。假如悉数采用SiC器件，主节制板的电力电子模块局部的外形尺寸将减为当前的50%左右。
三菱电机曾发布过一系列针对采用全SiC电力转换器件的节能前景验证后果。应用SiC-SBD和SiCMOSFET试制的输出功率为11kW的电机变频器，与三菱电机采用Si器件制造的同类整机比拟，功耗约削减70%。还，试制的SiC变频器的体积小于Si变频器，采用SiC器件的整机体积只要应用Si器件整机的1/4左右。此外，三菱电机试制的输出功率为3.7kW的SiC电机变频器的功耗比Si电机变频器下降约54%。
验证后果显示，输出功率为20kW的SiC电机变频器的节能结果更为明显。额外输出功率为20kW、开关频率为20kHz的SiC电机变频器，与采用通俗Si制成的IGBT同类产物比拟，功耗削减约90%。据引见，这是经过缩短开关工夫完成SiC器件开关速度的提拔，然后降低功耗。为了加速开关速度，栅极驱动电路需完成高速化，改良驱动方法，降低驱动电路中的寄生电感，然后将开关工夫缩短为50%左右。还，进步开关速度能够招致浪涌电压增大，然后损坏SiC器件。为了防止这一问题，新产物经过改良SiC器件的装备和电路布线，削减了电路中的寄生电感以按捺浪涌电压。与输出功率为20kW的Si电机变频器比拟，SiC电机变频器的寄生电感仅为前者的1/5~1/10。
2011年2月，三菱电机公布成功开拓出晶体管和二极管均采用SiC的电力半导体器件——“全SiC”智能功率模块IPM。除了采用SiC器件，IPM还将过电流维护电路与驱动电路一同内置在模块中。普通状况下，在功率元件中很难做到既进步电流密度又降低损掉，而因为采用SiC功率元件，IPM可以完成这种双赢。与采用Si器件组成的IGBT比拟，新模块的电流密度进步了约3倍，还逆变器功耗降低约70%。此外，新模块的体积约为原同类模块的一半。
日本电力中心研讨所成功试制出采用SiC二极管、用于散布式电源系统衔接的逆变器。该逆变器的额外输出功率为3.3kW，输出电压为单相200V，转换效率高达96.4%，是当前同类电力电子转换安装中电能转换效率最高的产物，首要用于家用太阳能发电系统和燃料电池系统等的功率调理。该逆变器由调理直流电压的斩波器和将直流转换成交流的单相逆变器组成，并经过降低斩波器电路上二极管的恢来电流，完成高转换效率。与本来采用Si二极管的最高功能产物比拟，该逆变器的电力损掉削减了15%;经过进步斩波器电路的开关频率，安装体积减少了15%。
氮化镓行将完成财产化
近年来，GaN电力半导体的研发日益活泼。与采用Si电力半导体比拟，GaN电力半导体使用于逆变器、转换器等的电力转换安装，可大幅进步效率，并完成小型化。富士通研讨所与古河电气工业等构成的企业集团、美国IR公司、日本三垦公司、NEC与NEC电子构成的企业集团以及松下公司均已着手研发该类产物。
当前，GaN电力半导体研发的核心之一是底板的选择。GaN底板有助于进步GaN电力半导体的电气特征，但价钱较高。为了节制本钱，越来越多的厂商选择采用Si底板和SiC底板等非凡底板。GaN电力半导体之所以可以提早进入财产化阶段，是由于在降低制形成本和改善特征方面获得发展。降低本钱的要害在于运用Si底板和SiC底板等比GaN底板价钱廉价的新型底板。在GaN底板上制造GaN电力半导体，固然可以取得很好的电气功能，然则GaN底板的价钱约为Si底板的100倍。别的，GaN晶圆的直径只要2英寸，难以降低制形成本。
除Si底板外，还可以采用SiC底板低本钱制造GaN电力半导体，可应用的最大直径为4英寸。日本富士通公司研讨显示，思索到元件的制品率等要素，采用SiC底板制造GaN电力半导体能够比运用Si底板本钱更低。
一般来说，使GaN半导体在Si底板和SiC底板等异种底板上发展结晶并不轻易。由于上述底板的线膨张系数及晶格常数等与GaN分歧，轻易发生结晶缺陷。富士通研讨所指出，在异种底板和GaN半导体之间设置缓冲层可以处理这一问题。现实上，其他公司已用过相似办法，如采用Si底板制造LED产物。
2006年，松下公司公布成功开拓出采用GaN半导体的晶体管，方案用于通用逆变器电路和电源电路等运用大功率开关的元件。该晶体管的元件面积仅为原有同类产物的1/8，而构造改良可令导通电阻降为原有同类产物的1/3左右。2010年，松下公司发布了在单芯片上集成6个元件的Si底板产物。与采用其他元件组成的逆变器比拟，该产物可完成逆变器小型化，并降低寄生电感。现实上，寄生电感越小，越有利于完成高速开关。与采用硅制IGBT组成的逆变器进行电力损掉比照，在输出功率为20W时，该产物可使电力损耗削减约42%。
日本碍子公司公布成功开拓出可将LED光源的发光效率进步1倍的GaN底板。应用这种新型GaN底板制造的LED元件的内部量子效率进步了1倍以上，可使发光效率到达现有LED光源的2倍200lm/W。这意味着在耗电量降低50%的还大幅削减发烧量，然后完成照冥具具的长命命及小型化。此项技能也可使用于夹杂动力车和电动汽车的电力半导体以及无线通讯基站的功率扩大器等产物。
与此还，日本三菱化学公司方案于2012年10月开端多量量出产用于LED的GaN底板。因为具有较高的电能转换率，采用GaN底板的LED灯具的耗电量可比现有产物降低50%~70%。与现有采用蓝宝石底板的同类产物比拟，GaN底板固然具有电力损耗较低一级长处，然则存在制形成本偏高的问题。当前三菱化学公司已开拓出新的出产工艺流程，方案于2015年将GaN底板的制形成本降低为当前的1/10。
将来的氧化镓器件
近期，日本信息通讯研讨机构NICT发布了Ga2O3晶体管研制成功的音讯。与SiC和GaN比拟，Ga2O3在低本钱、高耐压且低损耗方面显示出较大的潜力，备受业界存眷。Ga2O3是金属镓的氧化物，也是一种半导体化合物，当前已发现的结晶形状有α、β、γ、δ、ε五种。个中，β构造最为不变，与Ga2O3的结晶发展及物性相关的研讨任务大多环绕β构造睁开。研讨人员用Ga2O3试制了金属半导体场效应晶体管，虽然属于未构成维护膜钝化膜的简略构造，然则样品曾经显示出耐压高、走漏电流小的特征。在运用SiC和GaN制造一样构造的元件时，凡间难以到达这些样品的目标。除了资料功能优异如带隙比SiC和GaN大，应用Ga2O3进行电力半导体研发的首要缘由是其出产本钱较低。
采用β-Ga2O3制造底板时，可运用FZ法及EFG法等溶液发展法，这也是其特点之一。溶液发展法轻易制备结晶缺陷少、尺寸大的单结晶，可以低本钱轻松完成量产。起首应用FZ法或EFG法制备单结晶，然后将结晶切成薄片，以薄片为根底制造底板。用于制造蓝色LED芯片的蓝宝石底板就是应用EFG法制造的。蓝宝石底板不只具有价钱廉价、结晶缺陷少的长处，并且尺寸较大，可为6~8英寸。而SiC底板的根底即单结晶需应用升华法制造，GaN底板的根底“单结晶”需应用HVPE法等气相法制造，在削减结晶缺陷和大尺寸化方面使用难度较大。NICT研讨小组已应用FZ法制成晶体管所需的β-Ga2O3底板，只需导入与蓝宝石底板一样的大型制造设备，有望应用EFG法出产6英寸直径的底版。
此外，NICT研讨小组还试制出元件电阻降低的β-Ga2O3底板LED芯片。该芯片的任务电压低，可以削减大电流驱动时的发烧量。该芯片的热阻很低，样品的热阻不到0.1℃/W，仅为同尺寸横向构造现有产物的1/10~1/100。还，该芯片的电流散布十分平均。为了查询芯片电流散布状况，小组研讨了1mm2的LED芯片内部的面内温度散布。后果显示，即便元件温度均匀上升70℃，芯片内部温差最大只要7℃。由此可见，运用β-Ga2O3底板的LED芯片十分合适大电流用处。NICT研讨小组但愿在2012年内推出产物，将这种底板用于LED产物，朝着财产化偏向进发。
β-Ga2O3不只可用于电力半导体，并且还可用于LED芯片、各类传感器元件及摄像元件等，使用局限很广。个中，运用GaN半导体的LED芯片底板最被看好。值得一提的是，β-Ga2O3合适需求大驱动电流的高功率LED。GaN基LED芯片被普遍使用于蓝色、紫色等光线波长较短的LED。个中，蓝色LED芯片是白色LED的主要根底部件。GaN基蓝色LED芯片是在蓝宝石底板上制造的。与现有蓝宝石底板比拟，β-Ga2O3底板的功能愈加优异，紫外光及可见光的透射率均为80%，电阻率约为0.005Ω·cm，具有优越的导电性。凡间，底板的透射率越高，越轻易将LED芯片发光层宣布的光提取到外部，然后进步光输出功率及发光效率;因为底板具有高导电性，可采用在LED芯片外表和反面辨别构成阳极和阴极的垂直构造。
日本田村制造所与日本光波公司开拓出运用氧化镓底板的GaN类LED元件。与以前运用蓝宝石底板的LED元件比拟，该LED元件每单元面积可流过10倍以上的电流，可用于前照灯及投影仪等高亮度产物。别的，氧化镓底板经过简略的溶液发展即可构成，是一种可完成低本钱化的技能，还可使用于照明范畴。
氧化镓底板具有高导电性，运用该底板的GaN类LED元件可在表里设置电极。田村制造所与光波公司开拓出可大幅增添缓冲层电阻位于氧化镓底板和GaN类外延层之间的技能，而且经过在氧化镓底板上构成低电阻n型欧姆接触电极的技能，用于经过大电流的LED元件。固然有观念以为氧化镓底板轻易决裂，然则据称开拓者已经过调整氧化镓底板的面偏向处理了这一问题。
2012年1月，NICT和田村制造所公布开拓出运用Ga2O3单晶底板的晶体管。与已开端用于电力半导体范畴的SiC和GaN比拟，这一技能可大幅增添制形成本。该晶体管是一种将具有肖特基结的金属用于栅极电极的MESFET。β-Ga2O3的带隙为4.8~4.9eV，大于SiC的3.3eV和GaN的3.4eV，理论上可以取得优于SiC和GaN的高耐压性及低损耗性。别的，因为单晶底板制造无需具有高温高压等前提且原料应用率较高，以低本钱量产单晶底板成为能够。
运用β-Ga2O3的电力半导体的研发才方才起步，还存在诸多问题，而要想完成财产化，起首要试制出可以常闭型任务的晶体管——努力于完成MOSFET产物的制造。制造MOSFET产物时，栅极绝缘膜需求运用带隙十分大的Al2O3、SiO2等氧化物。因为同为氧化物，这些氧化物绝缘膜与Ga2O3的界面有望完成低缺陷密度界面状密度。NICT和田村制造所透露表现，力争在2015年前制造出直径4英寸的底板和MOSFET，并在2020年前开端作为电力半导体小规划量产。
驱动电源和电机一体化
调速节制是家电用电机技能开展的主要范畴，深入影响着家用空谐和冰箱制冷紧缩机、轮回水泵、风机等部件的技能开展。这项技能当前的主流方案是采用电子电路构建的调速驱动电源凡间称为电源变换器或变频器，经过改动电机输入的电源参数完成转速调理。该范畴近年来的开展趋向是将紧缩机和驱动电源进行一体化设计，由紧缩机制造商或集成供给商供应集成组件，简化整机制造企业的系统开拓任务。还，这种做法还可进步整机功能和运转牢靠性以及降低本钱，客观上促进了高效率制冷紧缩机的使用。当前，局部家用冰箱用变频紧缩机或直流调速紧缩机就是由紧缩机制造企业配套驱动电源，凡间驱动电源以专用的装置构件接近紧缩机装置，而空调紧缩机采用将驱动电源置于紧缩机壳体内部的方案已初露眉目。
将驱动电源置于电机内部的方案已有超越20年的财产化前史，这类电机的出产企业和种类越来越多，产物的高效、牢靠以及便于使用等长处已获得充沛验证。2005年3月22日，丰田发布了猎犬夹杂动力车HarrierHybrid和机警夹杂动力车KlugerHybrid，二者的空调系统均采用逆变器一体化电动紧缩机。该空调系统应用逆变器将所配充电电池的直流电转换为交流电，然后再应用交流电驱动内置在紧缩机中的三相电机，再将紧缩机转速节制在1000~8600rpm的形态下任务。除了以三维方法对IGBT节制电路等安装进行装备，空调逆变器与电机的一体化设计还可在作为逆变器外装的树脂局部嵌入一些部件。该逆变器的外型尺寸比同类产物减少了1/3。空调逆变器采用与紧缩机一体化设计，可以运用空调制冷剂进行冷却。空调系统所用逆变器中最需求冷却的部件是用于交流节制旌旗灯号以及获取电机驱动功率的“光耦合器PhotoCoupler”。该部件的耐热性较差，最需求冷却。
松下公司在2006年10月举办的电动车辆评论会上也展现了相似的空调紧缩机，可合用于夹杂动力车、电动汽车和燃料电池车的空调系统。由于发起机停机可以使空调制冷机坚持运转形态，改善泊车时的舒适性和车辆的运转经济性。传统的车用空调紧缩机是经过皮带将曲轴的输出传到达带轮，然后进行紧缩制冷。该紧缩机去失落了带轮，改为内置无刷电机;机械构造保存了传统的皮带传动型设计，牢靠性不受影响，并采用以低压低温侧制冷剂冷却逆变器的办法。原有的电动空调紧缩机与逆变器在构造上是自力的，该技能方案经过减少逆变器的体积，将逆变器和紧缩机进行一体化设计，使紧缩机愈加小型化和轻量化。
罗姆公司在2010年的日本高新技能博览会CEATEC上展现了运用SiC器件的新型电力电子模块的任务情况。该模块的特点是尺寸小、耐热性高，并可内置于电机中。展品包罗集成多个沟道型MOSFET或肖特基势垒二极管SBD的两种模块，耐压均为600V，输出电流均为450A，并展现了内置这两种模块的电动汽车驱动电机以及电机驱动车轮的情形。还，罗姆公司还展现了装备沟道型MOSFET和SBD的逆变器模块。该产物耐压为600V，输出电流为300A，特点是尺寸小。该模块的体积约为运用IGBT的逆变器模块的1/10，在225℃的高温下也可正常运转。但是，上述产物当前仍处于开拓阶段，估计于2013年完成财产化。
固然家用电器范畴已有单个部件在测验驱动电源内置的电机技能，然则就整个家用电器行业而言，该技能的财产化尚未列入议事日程。就空调紧缩机而言，电动汽车一体化空调紧缩机技能正在向家用空调紧缩机范畴转移，当前首要的问题是需求工夫。 |
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