我國(guó)半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用發(fā)展形勢(shì)研究分析
半導(dǎo)體器件的發(fā)明和應(yīng)用深刻地改變了近50年的人類歷史發(fā)展進(jìn)程。進(jìn)入21世紀(jì)，半導(dǎo)體器件無(wú)處不在，已成為構(gòu)筑信息化社會(huì)的基石。同時(shí)，電力半導(dǎo)體在提高電力轉(zhuǎn)換效率方面的作用使之成為構(gòu)筑低碳社會(huì)的基石。半導(dǎo)體技術(shù)的節(jié)能效果是顯而易見的。世界首臺(tái)采用電子管的電子計(jì)算機(jī)ENIAC重達(dá)30噸，耗電量高達(dá)200kW，而如今具有同樣功能的半導(dǎo)體計(jì)算設(shè)備重量?jī)H為幾克，耗電量不足1W。同時(shí)，電力半導(dǎo)體在太陽(yáng)能光伏和風(fēng)力發(fā)電裝置的電能轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存、輸送過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用�？梢姡稍偕茉蠢煤湍茉崔D(zhuǎn)換裝置效率的提高都離不開半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用。
硅Si器件經(jīng)歷了多年的發(fā)展已經(jīng)改變了家用電器的面貌，直流調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成為家用空調(diào)以及其他電機(jī)提高效率的主要技術(shù)措施。值得關(guān)注的是，碳化硅SiC、氮化鎵GaN和氧化鎵Ga2O3等新型器件的技術(shù)發(fā)展，除可通過(guò)減少器件能耗提高電力轉(zhuǎn)換效率之外，將在縮小外形尺寸、提高耐熱性能等方面促進(jìn)家用電器技術(shù)發(fā)展。
提高能源利用效率是一個(gè)含義廣泛的課題。就家用電器而言，狹義的提高效率主要是提高家用電器在運(yùn)行過(guò)程中的能源利用效率。目前，各國(guó)基本已對(duì)家用電器的能源利用效率展開監(jiān)管，能效標(biāo)簽、能效等級(jí)制度是較為常見的監(jiān)管方式。而廣義的提高效率還需要考慮制造過(guò)程的能源消耗、原材料能耗、運(yùn)行過(guò)程中間接的能效影響。本文討論的效率問題僅限于狹義范圍，且只針對(duì)利用技術(shù)進(jìn)步實(shí)現(xiàn)能源利用效率提高的措施，并將著重闡述電力半導(dǎo)體對(duì)提高家用電器能源利用效率的作用。
電力半導(dǎo)體的材料替代
家庭用電約占美國(guó)社會(huì)總用電量的1/3。據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)10年，美國(guó)家庭數(shù)量將增長(zhǎng)11%，而得益于電力半導(dǎo)體技術(shù)，美國(guó)家庭用電量將僅增加6%。有調(diào)查報(bào)告指出：美國(guó)所有電力應(yīng)用中的6%~10%是電源從交流AC轉(zhuǎn)換為直流DC，由于現(xiàn)有電源效率欠佳，美國(guó)電力總消耗的3%~4%是在電源內(nèi)部消耗的;以改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、使用微電子控制器件以及場(chǎng)效應(yīng)管FET和二極管等電力半導(dǎo)體來(lái)提高電源效率，可以節(jié)省美國(guó)電力總消耗的1%~2%。這意味著電力半導(dǎo)體技術(shù)具有每年節(jié)省30億~60億美元的潛能。
如今，電力半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展不僅體現(xiàn)在應(yīng)用日益廣泛的高效率LED照明器具上，即使在空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)、電磁灶等大功率家電領(lǐng)域，電力半導(dǎo)體的應(yīng)用也已超出控制器驅(qū)動(dòng)電源的范圍。大功率電力半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)技術(shù)改變了產(chǎn)品原有的運(yùn)行方式和能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，節(jié)能效果顯著。提高家用電器的電源轉(zhuǎn)換效率和降低待機(jī)能耗是目前普遍采用的節(jié)能措施。半導(dǎo)體制造企業(yè)、電力轉(zhuǎn)換部件制造企業(yè)以及家用電器整機(jī)制造企業(yè)正在努力使這些損耗變得更小。
電機(jī)是多數(shù)白色家電的主要耗電部件，雖然調(diào)速控制和變扭矩控制技術(shù)在提高電機(jī)效率方面的作用早已為人所知，并在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但是在電力半導(dǎo)體出現(xiàn)前，這些技術(shù)難以應(yīng)用于結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)相對(duì)不便的家用電器中。例如，具有調(diào)速功能的直流電機(jī)在配備半導(dǎo)體換向器之前，使用的是機(jī)械換向器，而機(jī)械換向器的壽命通常不足1000h，并使得驅(qū)動(dòng)電源體積龐大、價(jià)格高昂。20世紀(jì)70年代末，日本企業(yè)將電力半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)制冷壓縮機(jī)的調(diào)速控制，基本實(shí)現(xiàn)整機(jī)10萬(wàn)h免維修，同時(shí)令驅(qū)動(dòng)電源的外形尺寸大大縮小，可放置于空調(diào)內(nèi)部，且價(jià)格大幅降低。日本市場(chǎng)在不到10年的時(shí)間內(nèi)基本完成了從定轉(zhuǎn)速到變頻調(diào)速的轉(zhuǎn)變。雖然變頻電源消耗了約10%的電能，但是利用變頻調(diào)速在運(yùn)行過(guò)程中的變速、變扭矩功能，可使住宅空調(diào)電力消耗平均降低約30%。同時(shí)，在冬季熱泵運(yùn)行模式下具備大幅度提高制熱量的能力，這也促進(jìn)了熱泵供熱技術(shù)的廣泛應(yīng)用。
在變頻器和變壓器等裝置中起開關(guān)作用的電力半導(dǎo)體，如金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET、絕緣柵極型雙極晶體管IGBT和二極管等的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是，從目前主流的Si半導(dǎo)體材料向SiC和GaN等化合物半導(dǎo)體材料轉(zhuǎn)變，在提高效率和減少體積方面取得重大進(jìn)步。
德國(guó)弗勞恩霍夫Fraunhofer應(yīng)用研究促進(jìn)協(xié)會(huì)太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所ISE目前已經(jīng)將太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置配套的逆變器效率提高到98.5%，新逆變器的功率損失比該機(jī)構(gòu)原有同類逆變器下降了50%左右。該機(jī)構(gòu)在額定功率為5kW的單相逆變器上采用SiC器件替代Si器件，成為效率顯著提高的關(guān)鍵。這些SiC器件由美國(guó)科銳Cree公司生產(chǎn)，該公司在2010年已經(jīng)解決了直徑6英寸SiC底板的制造工藝問題，并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，為SiC器件制造成本的大幅下降創(chuàng)造了條件。
新型半導(dǎo)體器件的較高效率提升主要是因?yàn)槠骷䞍?nèi)部功耗較低。在相同的電路結(jié)構(gòu)下，將二極管從Si材料換成SiC材料，功耗可降低約30%;如果同時(shí)替換晶體管，功耗可降低約50%。功耗降低，發(fā)熱量也隨之下降，從而實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換器件的節(jié)能化。
除功耗低外，GaN和SiC還具備適于小型化的特性。首先，以上述兩種材料制成的器件能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)倍于Si元件的高速開關(guān)，使得電感器等外圍電路部件的尺寸大幅下降，從而實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換裝置電路的小型化。其次，SiC和GaN元件還可在Si元件無(wú)法適應(yīng)的200℃以上的高溫環(huán)境下工作，在發(fā)熱量相同的情況下，能夠減小電力轉(zhuǎn)換器件冷卻裝置的外形尺寸。
隨著GaN和SiC電力半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化步伐的加快，開發(fā)充分利用其特性的新型外圍電路成為當(dāng)務(wù)之急，例如可實(shí)現(xiàn)高速工作的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、以高頻開關(guān)為前提的電磁噪聲對(duì)策等。要使這些電力半導(dǎo)體在超過(guò)200℃的高溫環(huán)境下工作，除了采用耐熱性高且低價(jià)位的焊錫材料，在芯片安裝方面，還需采用耐高溫的封裝材料。這些外圍電路技術(shù)的進(jìn)步，是發(fā)揮GaN和SiC器件效力的關(guān)鍵。
2010年10月，日本三菱電機(jī)公司宣布于2011冷凍年度開始銷售采用SiC制造的肖特基勢(shì)壘二極管SBD作為直流調(diào)速壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的家用空調(diào)。這是世界上首件應(yīng)用SiC電力半導(dǎo)體的家用電器，標(biāo)志著家用電器行業(yè)以SiC為代表的新一代電力半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化的開始。
首批采用SiC器件的家用空調(diào)是三菱電機(jī)霧峰MoveEye系列產(chǎn)品，包括額定制冷量為2.8kW的MSZ-ZW281S以及額定制冷量為3.6kW的MSZ-ZW361S兩個(gè)型號(hào)。按照計(jì)劃，霧峰MoveEye系列將覆蓋額定制冷量2.2kW~7.1kW的范圍，其他型號(hào)產(chǎn)品將陸續(xù)以SiC器件替代Si器件。雖然目前SiC器件的價(jià)格仍然較高，但是三菱電機(jī)并未將成本變化反映在整機(jī)價(jià)格上，而是以讓利方式自行消化了增加的成本。
這批空調(diào)仍使用絕緣柵極型雙極晶體管IGBT，將Si二極管改為SiC-SBD，僅用于直流調(diào)速壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。從節(jié)能角度來(lái)說(shuō)，采用SiC-SBD，壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的電能轉(zhuǎn)換損失可減少約60%，空調(diào)整機(jī)耗電量約減少2%。如果需要進(jìn)一步提高電能轉(zhuǎn)換效率及縮小驅(qū)動(dòng)電源外形尺寸，還需將其他電力半導(dǎo)體全部改為SiC器件，實(shí)現(xiàn)以SiCMOSFET取代IGBT。三菱電機(jī)此舉旨在促進(jìn)SiC市場(chǎng)加速發(fā)展，使SiC器件的價(jià)格盡快進(jìn)入合理區(qū)間，同時(shí)力爭(zhēng)在2013~2014年實(shí)現(xiàn)SiCMOSFET的產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)，從而在電力半導(dǎo)體市場(chǎng)取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。三菱電機(jī)計(jì)劃將IGBT全部替換為SiCMOSFET，SiC器件將不僅應(yīng)用于壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，還將應(yīng)用在主控制板的電源部分。如果全部采用SiC器件，主控制板的電力電子模塊部分的外形尺寸將減為目前的50%左右。
三菱電機(jī)曾發(fā)布過(guò)一系列針對(duì)采用全SiC電力轉(zhuǎn)換器件的節(jié)能前景驗(yàn)證結(jié)果。利用SiC-SBD和SiCMOSFET試制的輸出功率為11kW的電機(jī)變頻器，與三菱電機(jī)采用Si器件制造的同類整機(jī)相比，功耗約減少70%。同時(shí)，試制的SiC變頻器的體積小于Si變頻器，采用SiC器件的整機(jī)體積只有利用Si器件整機(jī)的1/4左右。此外，三菱電機(jī)試制的輸出功率為3.7kW的SiC電機(jī)變頻器的功耗比Si電機(jī)變頻器下降約54%。
驗(yàn)證結(jié)果顯示，輸出功率為20kW的SiC電機(jī)變頻器的節(jié)能效果更為顯著。額定輸出功率為20kW、開關(guān)頻率為20kHz的SiC電機(jī)變頻器，與采用普通Si制成的IGBT同類產(chǎn)品相比，功耗減少約90%。據(jù)介紹，這是通過(guò)縮短開關(guān)時(shí)間實(shí)現(xiàn)SiC器件開關(guān)速度的提升，從而降低功耗。為了加快開關(guān)速度，柵極驅(qū)動(dòng)電路需實(shí)現(xiàn)高速化，改進(jìn)驅(qū)動(dòng)方式，降低驅(qū)動(dòng)電路中的寄生電感，從而將開關(guān)時(shí)間縮短為50%左右。同時(shí)，提高開關(guān)速度可能導(dǎo)致浪涌電壓增大，從而損壞SiC器件。為了避免這一問題，新產(chǎn)品通過(guò)改進(jìn)SiC器件的配置和電路布線，減少了電路中的寄生電感以抑制浪涌電壓。與輸出功率為20kW的Si電機(jī)變頻器相比，SiC電機(jī)變頻器的寄生電感僅為前者的1/5~1/10。
2011年2月，三菱電機(jī)宣布成功開發(fā)出晶體管和二極管均采用SiC的電力半導(dǎo)體器件“全SiC”智能功率模塊IPM。除了采用SiC器件，IPM還將過(guò)電流保護(hù)電路與驅(qū)動(dòng)電路一起內(nèi)置在模塊中。一般情況下，在功率元件中很難做到既提高電流密度又降低損失，而由于采用SiC功率元件，IPM可以實(shí)現(xiàn)這種雙贏。與采用Si器件構(gòu)成的IGBT相比，新模塊的電流密度提高了約3倍，同時(shí)逆變器功耗降低約70%。此外，新模塊的體積約為原同類模塊的一半。
日本電力中央研究所成功試制出采用SiC二極管、用于分布式電源系統(tǒng)連接的逆變器。該逆變器的額定輸出功率為3.3kW，輸出電壓為單相200V，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)96.4%，是目前同類電力電子轉(zhuǎn)換裝置中電能轉(zhuǎn)換效率最高的產(chǎn)品，主要用于家用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)和燃料電池系統(tǒng)等的功率調(diào)節(jié)。該逆變器由調(diào)節(jié)直流電壓的斬波器和將直流轉(zhuǎn)換成交流的單相逆變器構(gòu)成，并通過(guò)降低斬波器電路上二極管的恢復(fù)電流，實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率。與原來(lái)采用Si二極管的最高性能產(chǎn)品相比，該逆變器的電力損失減少了15%;通過(guò)提高斬波器電路的開關(guān)頻率，裝置體積縮小了15%。
氮化鎵即將實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化
近年來(lái)，GaN電力半導(dǎo)體的研發(fā)日益活躍。與采用Si電力半導(dǎo)體相比，GaN電力半導(dǎo)體應(yīng)用于逆變器、轉(zhuǎn)換器等的電力轉(zhuǎn)換裝置，可大幅提高效率，并實(shí)現(xiàn)小型化。富士通研究所與古河電氣工業(yè)等組成的企業(yè)集團(tuán)、美國(guó)IR公司、日本三墾公司、NEC與NEC電子組成的企業(yè)集團(tuán)以及松下公司均已著手研發(fā)該類產(chǎn)品。
目前，GaN電力半導(dǎo)體研發(fā)的焦點(diǎn)之一是底板的選擇。GaN底板有助于提高GaN電力半導(dǎo)體的電氣特性，但價(jià)格較高。為了控制成本，越來(lái)越多的廠商選擇采用Si底板和SiC底板等特殊底板。GaN電力半導(dǎo)體之所以能夠提前進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，是因?yàn)樵诮档椭圃斐杀竞透纳铺匦苑矫嫒〉眠M(jìn)展。降低成本的關(guān)鍵在于使用Si底板和SiC底板等比GaN底板價(jià)格便宜的新型底板。在GaN底板上制造GaN電力半導(dǎo)體，雖然能夠獲得很好的電氣性能，但是GaN底板的價(jià)格約為Si底板的100倍。另外，GaN晶圓的直徑只有2英寸，難以降低制造成本。
除Si底板外，還可以采用SiC底板低成本制造GaN電力半導(dǎo)體，可利用的最大直徑為4英寸。日本富士通公司研究顯示，考慮到元件的成品率等因素，采用SiC底板制造GaN電力半導(dǎo)體可能比使用Si底板成本更低。
一般而言，使GaN半導(dǎo)體在Si底板和SiC底板等異種底板上生長(zhǎng)結(jié)晶并不容易。因?yàn)樯鲜龅装宓木�膨張系數(shù)及晶格常數(shù)等與GaN不同，容易產(chǎn)生結(jié)晶缺陷。富士通研究所指出，在異種底板和GaN半導(dǎo)體之間設(shè)置緩沖層可以解決這一問題。事實(shí)上，其他公司已用過(guò)類似方法，如采用Si底板制造LED產(chǎn)品。
2006年，松下公司宣布成功開發(fā)出采用GaN半導(dǎo)體的晶體管，計(jì)劃用于通用逆變器電路和電源電路等使用大功率開關(guān)的元件。該晶體管的元件面積僅為原有同類產(chǎn)品的1/8，而結(jié)構(gòu)改進(jìn)可令導(dǎo)通電阻降為原有同類產(chǎn)品的1/3左右。2010年，松下公司發(fā)布了在單芯片上集成6個(gè)元件的Si底板產(chǎn)品。與采用其他元件構(gòu)成的逆變器相比，該產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)逆變器小型化，并降低寄生電感。事實(shí)上，寄生電感越小，越有利于實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)。與采用硅制IGBT構(gòu)成的逆變器進(jìn)行電力損失對(duì)比，在輸出功率為20W時(shí)，該產(chǎn)品可使電力損耗減少約42%。
日本礙子公司宣布成功開發(fā)出可將LED光源的發(fā)光效率提高1倍的GaN底板。利用這種新型GaN底板制造的LED元件的內(nèi)部量子效率提高了1倍以上，可使發(fā)光效率達(dá)到現(xiàn)有LED光源的2倍200lm/W。這意味著在耗電量降低50%的同時(shí)大幅減少發(fā)熱量，從而實(shí)現(xiàn)照明器具的長(zhǎng)壽命及小型化。此項(xiàng)技術(shù)也可應(yīng)用于混合動(dòng)力車和電動(dòng)汽車的電力半導(dǎo)體以及無(wú)線通信基站的功率放大器等產(chǎn)品。
與此同時(shí)，日本三菱化學(xué)公司計(jì)劃于2012年10月開始大批量生產(chǎn)用于LED的GaN底板。由于具有較高的電能轉(zhuǎn)換率，采用GaN底板的LED燈具的耗電量可比現(xiàn)有產(chǎn)品降低50%~70%。與現(xiàn)有采用藍(lán)寶石底板的同類產(chǎn)品相比，GaN底板雖然具有電力損耗較低等優(yōu)點(diǎn)，但是存在制造成本偏高的問題。目前三菱化學(xué)公司已開發(fā)出新的生產(chǎn)工藝流程，計(jì)劃于2015年將GaN底板的制造成本降低為目前的1/10。
近期，日本信息通信研究機(jī)構(gòu)NICT發(fā)布了Ga2O3晶體管研制成功的消息。與SiC和GaN相比，Ga2O3在低成本、高耐壓且低損耗方面顯示出較大的潛力，備受業(yè)界關(guān)注。Ga2O3是金屬鎵的氧化物，也是一種半導(dǎo)體化合物，目前已發(fā)現(xiàn)的結(jié)晶形態(tài)有α、β、、、五種。其中，β結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定，與Ga2O3的結(jié)晶生長(zhǎng)及物性相關(guān)的研究工作大多圍繞β結(jié)構(gòu)展開。研究人員用Ga2O3試制了金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，盡管屬于未形成保護(hù)膜鈍化膜的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，但是樣品已經(jīng)顯示出耐壓高、泄漏電流小的特性。在使用SiC和GaN制造相同結(jié)構(gòu)的元件時(shí)，通常難以達(dá)到這些樣品的指標(biāo)。除了材料性能優(yōu)異如帶隙比SiC和GaN大，利用Ga2O3進(jìn)行電力半導(dǎo)體研發(fā)的主要原因是其生產(chǎn)成本較低。
采用β-Ga2O3制作底板時(shí)，可使用FZ法及EFG法等溶液生長(zhǎng)法，這也是其特點(diǎn)之一。溶液生長(zhǎng)法容易制備結(jié)晶缺陷少、尺寸大的單結(jié)晶，可以低成本輕松實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。首先利用FZ法或EFG法制備單結(jié)晶，然后將結(jié)晶切成薄片，以薄片為基礎(chǔ)制造底板。用于制造藍(lán)色LED芯片的藍(lán)寶石底板就是利用EFG法制造的。藍(lán)寶石底板不僅具備價(jià)格便宜、結(jié)晶缺陷少的優(yōu)點(diǎn)，而且尺寸較大，可為6~8英寸。而SiC底板的基礎(chǔ)即單結(jié)晶需利用升華法制造，GaN底板的基礎(chǔ)“單結(jié)晶”需利用HVPE法等氣相法制造，在減少結(jié)晶缺陷和大尺寸化方面應(yīng)用難度較大。NICT研究小組已利用FZ法制成晶體管所需的β-Ga2O3底板，只要導(dǎo)入與藍(lán)寶石底板相同的大型制造設(shè)備，有望利用EFG法生產(chǎn)6英寸直徑的底版。
此外，NICT研究小組還試制出元件電阻降低的β-Ga2O3底板LED芯片。該芯片的工作電壓低，能夠減少大電流驅(qū)動(dòng)時(shí)的發(fā)熱量。該芯片的熱阻很低，樣品的熱阻不到0.1℃/W，僅為同尺寸橫向結(jié)構(gòu)現(xiàn)有產(chǎn)品的1/10~1/100。同時(shí)，該芯片的電流分布非常均勻。為了調(diào)查芯片電流分布情況，小組研究了1mm2的LED芯片內(nèi)部的面內(nèi)溫度分布。結(jié)果顯示，即使元件溫度平均上升70℃，芯片內(nèi)部溫差最大只有7℃。由此可見，使用β-Ga2O3底板的LED芯片非常適合大電流用途。NICT研究小組希望在2012年內(nèi)推出產(chǎn)品，將這種底板用于LED產(chǎn)品，朝著產(chǎn)業(yè)化方向進(jìn)發(fā)。
β-Ga2O3不僅可用于電力半導(dǎo)體，而且還可用于LED芯片、各種傳感器元件及攝像元件等，應(yīng)用范圍很廣。其中，使用GaN半導(dǎo)體的LED芯片底板最被看好。值得一提的是，β-Ga2O3適合需要大驅(qū)動(dòng)電流的高功率LED。GaN基LED芯片被廣泛應(yīng)用于藍(lán)色、紫色等光線波長(zhǎng)較短的LED。其中，藍(lán)色LED芯片是白色LED的重要基礎(chǔ)部件。GaN基藍(lán)色LED芯片是在藍(lán)寶石底板上制造的。與現(xiàn)有藍(lán)寶石底板相比，β-Ga2O3底板的性能更加優(yōu)異，紫外光及可見光的透射率均為80%，電阻率約為0.005?cm，具有良好的導(dǎo)電性。通常，底板的透射率越高，越容易將LED芯片發(fā)光層發(fā)出的光提取到外部，從而提高光輸出功率及發(fā)光效率;由于底板具備高導(dǎo)電性，可采用在LED芯片表面和背面分別形成陽(yáng)極和陰極的垂直結(jié)構(gòu)。
日本田村制作所與日本光波公司開發(fā)出使用氧化鎵底板的GaN類LED元件。與以前使用藍(lán)寶石底板的LED元件相比，該LED元件每單位面積可流過(guò)10倍以上的電流，可用于前照燈及投影儀等高亮度產(chǎn)品。另外，氧化鎵底板通過(guò)簡(jiǎn)單的溶液生長(zhǎng)即可形成，是一種可實(shí)現(xiàn)低成本化的技術(shù)，還可應(yīng)用于照明領(lǐng)域。
氧化鎵底板具有高導(dǎo)電性，使用該底板的GaN類LED元件可在內(nèi)外設(shè)置電極。田村制作所與光波公司開發(fā)出可大幅削減緩沖層電阻位于氧化鎵底板和GaN類外延層之間的技術(shù)，并且通過(guò)在氧化鎵底板上形成低電阻n型歐姆接觸電極的技術(shù)，用于通過(guò)大電流的LED元件。雖然有觀點(diǎn)認(rèn)為氧化鎵底板容易破裂，但是據(jù)稱開發(fā)者已通過(guò)調(diào)整氧化鎵底板的面方向解決了這一問題。
2012年1月，NICT和田村制作所宣布開發(fā)出使用Ga2O3單晶底板的晶體管。與已開始用于電力半導(dǎo)體領(lǐng)域的SiC和GaN相比，這一技術(shù)可大幅削減制造成本。該晶體管是一種將具有肖特基結(jié)的金屬用于柵極電極的MESFET。β-Ga2O3的帶隙為4.8~4.9eV，大于SiC的3.3eV和GaN的3.4eV，理論上可以獲得優(yōu)于SiC和GaN的高耐壓性及低損耗性。另外，由于單晶底板制造無(wú)需具備高溫高壓等條件且原料利用率較高，以低成本量產(chǎn)單晶底板成為可能。
使用β-Ga2O3的電力半導(dǎo)體的研發(fā)才剛剛起步，還存在諸多問題，而要想實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，首先要試制出能夠常閉型工作的晶體管致力于實(shí)現(xiàn)MOSFET產(chǎn)品的制造。制造MOSFET產(chǎn)品時(shí)，柵極絕緣膜需要使用帶隙非常大的Al2O3、SiO2等氧化物。由于同為氧化物，這些氧化物絕緣膜與Ga2O3的界面有望實(shí)現(xiàn)低缺陷密度界面狀密度。NICT和田村制作所表示，力爭(zhēng)在2015年前制造出直徑4英寸的底板和MOSFET，并在2020年前開始作為電力半導(dǎo)體小規(guī)模量產(chǎn)。
驅(qū)動(dòng)電源和電機(jī)一體化
調(diào)速控制是家電用電機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域，深刻影響著家用空調(diào)和冰箱制冷壓縮機(jī)、循環(huán)水泵、風(fēng)機(jī)等部件的技術(shù)發(fā)展。這項(xiàng)技術(shù)目前的主流方案是采用電子電路構(gòu)建的調(diào)速驅(qū)動(dòng)電源通常稱為電源變換器或變頻器，通過(guò)改變電機(jī)輸入的電源參數(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。該領(lǐng)域近年來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是將壓縮機(jī)和驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，由壓縮機(jī)制造商或集成供應(yīng)商提供集成組件，簡(jiǎn)化整機(jī)制造企業(yè)的系統(tǒng)開發(fā)工作。同時(shí)，這種做法還可提高整機(jī)性能和運(yùn)行可靠性以及降低成本，客觀上促進(jìn)了高效率制冷壓縮機(jī)的應(yīng)用。目前，部分家用冰箱用變頻壓縮機(jī)或直流調(diào)速壓縮機(jī)就是由壓縮機(jī)制造企業(yè)配套驅(qū)動(dòng)電源，通常驅(qū)動(dòng)電源以專用的安裝構(gòu)件靠近壓縮機(jī)安裝，而空調(diào)壓縮機(jī)采用將驅(qū)動(dòng)電源置于壓縮機(jī)殼體內(nèi)部的方案已初露端倪。
將驅(qū)動(dòng)電源置于電機(jī)內(nèi)部的方案已有超過(guò)20年的產(chǎn)業(yè)化歷史，這類電機(jī)的生產(chǎn)企業(yè)和品種越來(lái)越多，產(chǎn)品的高效、可靠以及便于應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)已得到充分驗(yàn)證。2005年3月22日，豐田發(fā)布了獵犬混合動(dòng)力車HarrierHybrid和機(jī)敏混合動(dòng)力車KlugerHybrid，二者的空調(diào)系統(tǒng)均采用逆變器一體化電動(dòng)壓縮機(jī)。該空調(diào)系統(tǒng)利用逆變器將所配充電電池的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，然后再利用交流電驅(qū)動(dòng)內(nèi)置在壓縮機(jī)中的三相電機(jī)，再將壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制在1000~8600rpm的狀態(tài)下工作。除了以三維方式對(duì)IGBT控制電路等裝置進(jìn)行配置，空調(diào)逆變器與電機(jī)的一體化設(shè)計(jì)還可在作為逆變器外裝的樹脂部分嵌入一些部件。該逆變器的外型尺寸比同類產(chǎn)品縮小了1/3。空調(diào)逆變器采用與壓縮機(jī)一體化設(shè)計(jì)，可以使用空調(diào)制冷劑進(jìn)行冷卻�？照{(diào)系統(tǒng)所用逆變器中最需要冷卻的部件是用于交換控制信號(hào)以及獲取電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率的“光耦合器PhotoCoupler”。該部件的耐熱性較差，最需要冷卻。
松下公司在2006年10月舉行的電動(dòng)車輛討論會(huì)上也展示了類似的空調(diào)壓縮機(jī)，可適用于混合動(dòng)力車、電動(dòng)汽車和燃料電池車的空調(diào)系統(tǒng)。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)能夠使空調(diào)制冷機(jī)保持運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，改善停車時(shí)的舒適性和車輛的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。傳統(tǒng)的車用空調(diào)壓縮機(jī)是通過(guò)皮帶將曲軸的輸出傳達(dá)到帶輪，從而進(jìn)行壓縮制冷。該壓縮機(jī)去掉了帶輪，改為內(nèi)置無(wú)刷電機(jī);機(jī)械結(jié)構(gòu)保留了傳統(tǒng)的皮帶傳動(dòng)型設(shè)計(jì)，可靠性不受影響，并采用以低壓低溫側(cè)制冷劑冷卻逆變器的方法。原有的電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)與逆變器在結(jié)構(gòu)上是獨(dú)立的，該技術(shù)方案通過(guò)縮小逆變器的體積，將逆變器和壓縮機(jī)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，使壓縮機(jī)更加小型化和輕量化。
羅姆公司在2010年的日本高新技術(shù)博覽會(huì)CEATEC上展示了使用SiC器件的新型電力電子模塊的工作狀況。該模塊的特點(diǎn)是尺寸小、耐熱性高，并可內(nèi)置于電機(jī)中。展品包括集成多個(gè)溝道型MOSFET或肖特基勢(shì)壘二極管SBD的兩種模塊，耐壓均為600V，輸出電流均為450A，并展示了內(nèi)置這兩種模塊的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪的情景。同時(shí)，羅姆公司還展示了配備溝道型MOSFET和SBD的逆變器模塊。該產(chǎn)品耐壓為600V，輸出電流為300A，特點(diǎn)是尺寸小。該模塊的體積約為使用IGBT的逆變器模塊的1/10，在225℃的高溫下也可正常運(yùn)行。不過(guò)，上述產(chǎn)品目前仍處于開發(fā)階段，預(yù)計(jì)于2013年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
雖然家用電器領(lǐng)域已有個(gè)別部件在嘗試驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)置的電機(jī)技術(shù)，但是就整個(gè)家用電器行業(yè)而言，該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化尚未列入議事日程。就空調(diào)壓縮機(jī)而言，電動(dòng)汽車一體化空調(diào)壓縮機(jī)技術(shù)正在向家用空調(diào)壓縮機(jī)領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，目前主要的問題是需要時(shí)間。
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| ^ 我國(guó)半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用發(fā)展形勢(shì)研究分析 |