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我国半导体技术创新应用形势研究分析


我国半导体技术创新应用形势研究分析

半导体器件的发明和应用深刻地改变了近50年的人类历史发展进程。进入21世纪,半导体器件无处不在,已成为构筑信息化社会的基石。同时,电力半导体在提高电力转换效率方面的作用使之成为构筑低碳社会的基石。半导体技术的节能效果是显而易见的。世界首台采用电子管的电子计算机ENIAC重达30吨,耗电量高达200kW,而如今具有同样功能的半导体计算设备重量仅为几克,耗电量不足1W。同时,电力半导体在太阳能光伏和风力发电装置的电能转换、储存、输送过程中发挥着关键性作用。可见,可再生能源利用和能源转换装置效率的提高都离不开半导体技术的创新应用。

  硅Si器件经历了多年的发展已经改变了家用电器的面貌,直流调速技术已经成为家用空调以及其他电机提高效率的主要技术措施。值得关注的是,碳化硅SiC、氮化镓GaN和氧化镓Ga2O3等新型器件的技术发展,除可通过减少器件能耗提高电力转换效率之外,将在缩小外形尺寸、提高耐热性能等方面促进家用电器技术发展。

  提高能源利用效率是一个含义广泛的课题。就家用电器而言,狭义的提高效率主要是提高家用电器在运行过程中的能源利用效率。目前,各国基本已对家用电器的能源利用效率展开监管,能效标签、能效等级制度是较为常见的监管方式。而广义的提高效率还需要考虑制造过程的能源消耗、原材料能耗、运行过程中间接的能效影响。本文讨论的效率问题仅限于狭义范围,且只针对利用技术进步实现能源利用效率提高的措施,并将着重阐述电力半导体对提高家用电器能源利用效率的作用。

  电力半导体的材料替代

  家庭用电约占美国社会总用电量的1/3。据预测,未来10年,美国家庭数量将增长11%,而得益于电力半导体技术,美国家庭用电量将仅增加6%。有调查报告指出:美国所有电力应用中的6%~10%是电源从交流AC转换为直流DC,由于现有电源效率欠佳,美国电力总消耗的3%~4%是在电源内部消耗的;以改进产品设计、使用微电子控制器件以及场效应管FET和二极管等电力半导体来提高电源效率,可以节省美国电力总消耗的1%~2%。这意味着电力半导体技术具有每年节省30亿~60亿美元的潜能。

  如今,电力半导体技术的发展不仅体现在应用日益广泛的高效率LED照明器具上,即使在空调、冰箱、洗衣机、电磁灶等大功率家电领域,电力半导体的应用也已超出控制器驱动电源的范围。大功率电力半导体驱动技术改变了产品原有的运行方式和能量转换过程,节能效果显著。提高家用电器的电源转换效率和降低待机能耗是目前普遍采用的节能措施。半导体制造企业、电力转换部件制造企业以及家用电器整机制造企业正在努力使这些损耗变得更小。

  电机是多数白色家电的主要耗电部件,虽然调速控制和变扭矩控制技术在提高电机效率方面的作用早已为人所知,并在工业领域得到广泛应用,但是在电力半导体出现前,这些技术难以应用于结构紧凑、维护相对不便的家用电器中。例如,具有调速功能的直流电机在配备半导体换向器之前,使用的是机械换向器,而机械换向器的寿命通常不足1000h,并使得驱动电源体积庞大、价格高昂。20世纪70年代末,日本企业将电力半导体技术应用于空调制冷压缩机的调速控制,基本实现整机10万h免维修,同时令驱动电源的外形尺寸大大缩小,可放置于空调内部,且价格大幅降低。日本市场在不到10年的时间内基本完成了从定转速到变频调速的转变。虽然变频电源消耗了约10%的电能,但是利用变频调速在运行过程中的变速、变扭矩功能,可使住宅空调电力消耗平均降低约30%。同时,在冬季热泵运行模式下具备大幅度提高制热量的能力,这也促进了热泵供热技术的广泛应用。

  在变频器和变压器等装置中起开关作用的电力半导体,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和二极管等的技术发展趋势是,从目前主流的Si半导体材料向SiC和GaN等化合物半导体材料转变,在提高效率和减少体积方面取得重大进步。

  德国弗劳恩霍夫Fraunhofer应用研究促进协会太阳能系统研究所ISE目前已经将太阳能光伏发电装置配套的逆变器效率提高到98.5%,新逆变器的功率损失比该机构原有同类逆变器下降了50%左右。该机构在额定功率为5kW的单相逆变器上采用SiC器件替代Si器件,成为效率显著提高的关键。这些SiC器件由美国科锐Cree公司生产,该公司在2010年已经解决了直径6英寸SiC底板的制造工艺问题,并实现批量生产,为SiC器件制造成本的大幅下降创造了条件。

  新型半导体器件的较高效率提升主要是因为器件内部功耗较低。在相同的电路结构下,将二极管从Si材料换成SiC材料,功耗可降低约30%;如果同时替换晶体管,功耗可降低约50%。功耗降低,发热量也随之下降,从而实现电力转换器件的节能化。

  除功耗低外,GaN和SiC还具备适于小型化的特性。首先,以上述两种材料制成的器件能够实现数倍于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,从而实现电力转换装置电路的小型化。其次,SiC和GaN元件还可在Si元件无法适应的200℃以上的高温环境下工作,在发热量相同的情况下,能够减小电力转换器件冷却装置的外形尺寸。

  随着GaN和SiC电力半导体产业化步伐的加快,开发充分利用其特性的新型外围电路成为当务之急,例如可实现高速工作的驱动电路设计、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过200℃的高温环境下工作,除了采用耐热性高且低价位的焊锡材料,在芯片安装方面,还需采用耐高温的封装材料。这些外围电路技术的进步,是发挥GaN和SiC器件效力的关键。

  碳化硅器件产业化

  2010年10月,日本三菱电机公司宣布于2011冷冻年度开始销售采用SiC制造的肖特基势垒二极管SBD作为直流调速压缩机驱动电源的家用空调。这是世界上首件应用SiC电力半导体的家用电器,标志着家用电器行业以SiC为代表的新一代电力半导体产业化的开始。

  首批采用SiC器件的家用空调是三菱电机雾峰MoveEye系列产品,包括额定制冷量为2.8kW的MSZ-ZW281S以及额定制冷量为3.6kW的MSZ-ZW361S两个型号。按照计划,雾峰MoveEye系列将覆盖额定制冷量2.2kW~7.1kW的范围,其他型号产品将陆续以SiC器件替代Si器件。虽然目前SiC器件的价格仍然较高,但是三菱电机并未将成本变化反映在整机价格上,而是以让利方式自行消化了增加的成本。

  这批空调仍使用绝缘栅极型双极晶体管IGBT,将Si二极管改为SiC-SBD,仅用于直流调速压缩机驱动电源。从节能角度来说,采用SiC-SBD,压缩机驱动电源的电能转换损失可减少约60%,空调整机耗电量约减少2%。如果需要进一步提高电能转换效率及缩小驱动电源外形尺寸,还需将其他电力半导体全部改为SiC器件,实现以SiCMOSFET取代IGBT。三菱电机此举旨在促进SiC市场加速发展,使SiC器件的价格尽快进入合理区间,同时力争在2013~2014年实现SiCMOSFET的产业化目标,从而在电力半导体市场取得竞争优势。三菱电机计划将IGBT全部替换为SiCMOSFET,SiC器件将不仅应用于压缩机驱动电源,还将应用在主控制板的电源部分。如果全部采用SiC器件,主控制板的电力电子模块部分的外形尺寸将减为目前的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结果。利用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相比,功耗约减少70%。同时,试制的SiC变频器的体积小于Si变频器,采用SiC器件的整机体积只有利用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%。

  验证结果显示,输出功率为20kW的SiC电机变频器的节能效果更为显著。额定输出功率为20kW、开关频率为20kHz的SiC电机变频器,与采用普通Si制成的IGBT同类产品相比,功耗减少约90%。据介绍,这是通过缩短开关时间实现SiC器件开关速度的提升,从而降低功耗。为了加快开关速度,栅极驱动电路需实现高速化,改进驱动方式,降低驱动电路中的寄生电感,从而将开关时间缩短为50%左右。同时,提高开关速度可能导致浪涌电压增大,从而损坏SiC器件。为了避免这一问题,新产品通过改进SiC器件的配置和电路布线,减少了电路中的寄生电感以抑制浪涌电压。与输出功率为20kW的Si电机变频器相比,SiC电机变频器的寄生电感仅为前者的1/5~1/10。

  2011年2月,三菱电机宣布成功开发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还将过电流保护电路与驱动电路一起内置在模块中。一般情况下,在功率元件中很难做到既提高电流密度又降低损失,而由于采用SiC功率元件,IPM可以实现这种双赢。与采用Si器件构成的IGBT相比,新模块的电流密度提高了约3倍,同时逆变器功耗降低约70%。此外,新模块的体积约为原同类模块的一半。

  日本电力中央研究所成功试制出采用SiC二极管、用于分布式电源系统连接的逆变器。该逆变器的额定输出功率为3.3kW,输出电压为单相200V,转换效率高达96.4%,是目前同类电力电子转换装置中电能转换效率蕞高的产品,主要用于家用太阳能发电系统和燃料电池系统等的功率调节。该逆变器由调节直流电压的斩波器和将直流转换成交流的单相逆变器构成,并通过降低斩波器电路上二极管的恢复电流,实现高转换效率。与原来采用Si二极管的蕞高性能产品相比,该逆变器的电力损失减少了15%;通过提高斩波器电路的开关频率,装置体积缩小了15%。
氮化镓即将实现产业化

  近年来,GaN电力半导体的研发日益活跃。与采用Si电力半导体相比,GaN电力半导体应用于逆变器、转换器等的电力转换装置,可大幅提高效率,并实现小型化。富士通研究所与古河电气工业等组成的企业集团、美国IR公司、日本三垦公司、NEC与NEC电子组成的企业集团以及松下公司均已着手研发该类产品。

  目前,GaN电力半导体研发的焦点之一是底板的选择。GaN底板有助于提高GaN电力半导体的电气特性,但价格较高。为了控制成本,越来越多的厂商选择采用Si底板和SiC底板等特殊底板。GaN电力半导体之所以能够提前进入产业化阶段,是因为在降低制造成本和改善特性方面取得进展。降低成本的关键在于使用Si底板和SiC底板等比GaN底板价格便宜的新型底板。在GaN底板上制造GaN电力半导体,虽然能够获得很好的电气性能,但是GaN底板的价格约为Si底板的100倍。另外,GaN晶圆的直径只有2英寸,难以降低制造成本。

  除Si底板外,还可以采用SiC底板低成本制造GaN电力半导体,可利用的蕞大直径为4英寸。日本富士通公司研究显示,考虑到元件的成品率等因素,采用SiC底板制造GaN电力半导体可能比使用Si底板成本更低。

  一般而言,使GaN半导体在Si底板和SiC底板等异种底板上生长结晶并不容易。因为上述底板的线膨张系数及晶格常数等与GaN不同,容易产生结晶缺陷。富士通研究所指出,在异种底板和GaN半导体之间设置缓冲层可以解决这一问题。事实上,其他公司已用过类似方法,如采用Si底板制造LED产品。

  2006年,松下公司宣布成功开发出采用GaN半导体的晶体管,计划用于通用逆变器电路和电源电路等使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品的1/8,而结构改进可令导通电阻降为原有同类产品的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底板产品。与采用其他元件构成的逆变器相比,该产品可实现逆变器小型化,并降低寄生电感。事实上,寄生电感越小,越有利于实现高速开关。与采用硅制IGBT构成的逆变器进行电力损失对比,在输出功率为20W时,该产品可使电力损耗减少约42%。

  日本碍子公司宣布成功开发出可将LED光源的发光效率提高1倍的GaN底板。利用这种新型GaN底板制造的LED元件的内部量子效率提高了1倍以上,可使发光效率达到现有LED光源的2倍200lm/W。这意味着在耗电量降低50%的同时大幅减少发热量,从而实现照明器具的长寿命及小型化。此项技术也可应用于混合动力车和电动汽车的电力半导体以及无线通信基站的功率放大器等产品。

  与此同时,日本三菱化学公司计划于2012年10月开始大批量生产用于LED的GaN底板。由于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品降低50%~70%。与现有采用蓝宝石底板的同类产品相比,GaN底板虽然具有电力损耗较低等优点,但是存在制造成本偏高的问题。目前三菱化学公司已开发出新的生产工艺流程,计划于2015年将GaN底板的制造成本降低为目前的1/10。

  未来的氧化镓器件

  近期,日本信息通信研究机构NICT发布了Ga2O3晶体管研制成功的消息。与SiC和GaN相比,Ga2O3在低成本、高耐压且低损耗方面显示出较大的潜力,备受业界关注。Ga2O3是金属镓的氧化物,也是一种半导体化合物,目前已发现的结晶形态有α、β、γ、δ、ε五种。其中,β结构蕞为稳定,与Ga2O3的结晶生长及物性相关的研究工作大多围绕β结构展开。研究人员用Ga2O3试制了金属半导体场效应晶体管,尽管属于未形成保护膜钝化膜的简单结构,但是样品已经显示出耐压高、泄漏电流小的特性。在使用SiC和GaN制造相同结构的元件时,通常难以达到这些样品的指标。除了材料性能优异如带隙比SiC和GaN大,利用Ga2O3进行电力半导体研发的主要原因是其生产成本较低。

  采用β-Ga2O3制作底板时,可使用FZ法及EFG法等溶液生长法,这也是其特点之一。溶液生长法容易制备结晶缺陷少、尺寸大的单结晶,可以低成本轻松实现量产。首先利用FZ法或EFG法制备单结晶,然后将结晶切成薄片,以薄片为基础制造底板。用于制造蓝色LED芯片的蓝宝石底板就是利用EFG法制造的。蓝宝石底板不仅具备价格便宜、结晶缺陷少的优点,而且尺寸较大,可为6~8英寸。而SiC底板的基础即单结晶需利用升华法制造,GaN底板的基础“单结晶”需利用HVPE法等气相法制造,在减少结晶缺陷和大尺寸化方面应用难度较大。NICT研究小组已利用FZ法制成晶体管所需的β-Ga2O3底板,只要导入与蓝宝石底板相同的大型制造设备,有望利用EFG法生产6英寸直径的底版。

  此外,NICT研究小组还试制出元件电阻降低的β-Ga2O3底板LED芯片。该芯片的工作电压低,能够减少大电流驱动时的发热量。该芯片的热阻很低,样品的热阻不到0.1℃/W,仅为同尺寸横向结构现有产品的1/10~1/100。同时,该芯片的电流分布非常均匀。为了调查芯片电流分布情况,小组研究了1mm2的LED芯片内部的面内温度分布。结果显示,即使元件温度平均上升70℃,芯片内部温差蕞大只有7℃。由此可见,使用β-Ga2O3底板的LED芯片非常适合大电流用途。NICT研究小组希望在2012年内推出产品,将这种底板用于LED产品,朝着产业化方向进发。

  β-Ga2O3不仅可用于电力半导体,而且还可用于LED芯片、各种传感器元件及摄像元件等,应用范围很广。其中,使用GaN半导体的LED芯片底板蕞被看好。值得一提的是,β-Ga2O3适合需要大驱动电流的高功率LED。GaN基LED芯片被广泛应用于蓝色、紫色等光线波长较短的LED。其中,蓝色LED芯片是白色LED的重要基础部件。GaN基蓝色LED芯片是在蓝宝石底板上制造的。与现有蓝宝石底板相比,β-Ga2O3底板的性能更加优异,紫外光及可见光的透射率均为80%,电阻率约为0.005Ω·cm,具有良好的导电性。通常,底板的透射率越高,越容易将LED芯片发光层发出的光提取到外部,从而提高光输出功率及发光效率;由于底板具备高导电性,可采用在LED芯片表面和背面分别形成阳极和阴极的垂直结构。

  日本田村制作所与日本光波公司开发出使用氧化镓底板的GaN类LED元件。与以前使用蓝宝石底板的LED元件相比,该LED元件每单位面积可流过10倍以上的电流,可用于前照灯及投影仪等高亮度产品。另外,氧化镓底板通过简单的溶液生长即可形成,是一种可实现低成本化的技术,还可应用于照明领域。

  氧化镓底板具有高导电性,使用该底板的GaN类LED元件可在内外设置电极。田村制作所与光波公司开发出可大幅削减缓冲层电阻位于氧化镓底板和GaN类外延层之间的技术,并且通过在氧化镓底板上形成低电阻n型欧姆接触电极的技术,用于通过大电流的LED元件。虽然有观点认为氧化镓底板容易破裂,但是据称开发者已通过调整氧化镓底板的面方向解决了这一问题。

  2012年1月,NICT和田村制作所宣布开发出使用Ga2O3单晶底板的晶体管。与已开始用于电力半导体领域的SiC和GaN相比,这一技术可大幅削减制造成本。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,理论上可以获得优于SiC和GaN的高耐压性及低损耗性。另外,由于单晶底板制造无需具备高温高压等条件且原料利用率较高,以低成本量产单晶底板成为可能。

  使用β-Ga2O3的电力半导体的研发才刚刚起步,还存在诸多问题,而要想实现产业化,首先要试制出能够常闭型工作的晶体管——致力于实现MOSFET产品的制造。制造MOSFET产品时,栅极绝缘膜需要使用带隙非常大的Al2O3、SiO2等氧化物。由于同为氧化物,这些氧化物绝缘膜与Ga2O3的界面有望实现低缺陷密度界面状密度。NICT和田村制作所表示,力争在2015年前制造出直径4英寸的底板和MOSFET,并在2020年前开始作为电力半导体小规模量产。

  驱动电源和电机一体化

  调速控制是家电用电机技术发展的重要领域,深刻影响着家用空调和冰箱制冷压缩机、循环水泵、风机等部件的技术发展。这项技术目前的主流方案是采用电子电路构建的调速驱动电源通常称为电源变换器或变频器,通过改变电机输入的电源参数实现转速调节。该领域近年来的发展趋势是将压缩机和驱动电源进行一体化设计,由压缩机制造商或集成供应商提供集成组件,简化整机制造企业的系统开发工作。同时,这种做法还可提高整机性能和运行可靠性以及降低成本,客观上促进了高效率制冷压缩机的应用。目前,部分家用冰箱用变频压缩机或直流调速压缩机就是由压缩机制造企业配套驱动电源,通常驱动电源以专用的安装构件靠近压缩机安装,而空调压缩机采用将驱动电源置于压缩机壳体内部的方案已初露端倪。

  将驱动电源置于电机内部的方案已有超过20年的产业化历史,这类电机的生产企业和品种越来越多,产品的高效、可靠以及便于应用等优点已得到充分验证。2005年3月22日,丰田发布了猎犬混合动力车HarrierHybrid和机敏混合动力车KlugerHybrid,二者的空调系统均采用逆变器一体化电动压缩机。该空调系统利用逆变器将所配充电电池的直流电转换为交流电,然后再利用交流电驱动内置在压缩机中的三相电机,再将压缩机转速控制在1000~8600rpm的状态下工作。除了以三维方式对IGBT控制电路等装置进行配置,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部分嵌入一些部件。该逆变器的外型尺寸比同类产品缩小了1/3。空调逆变器采用与压缩机一体化设计,可以使用空调制冷剂进行冷却。空调系统所用逆变器中蕞需要冷却的部件是用于交换控制信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,蕞需要冷却。

  松下公司在2006年10月举行的电动车辆讨论会上也展示了类似的空调压缩机,可适用于混合动力车、电动汽车和燃料电池车的空调系统。因为发动机停机能够使空调制冷机保持运转状态,改善停车时的舒适性和车辆的运行经济性。传统的车用空调压缩机是通过皮带将曲轴的输出传达到带轮,从而进行压缩制冷。该压缩机去掉了带轮,改为内置无刷电机;机械结构保留了传统的皮带传动型设计,可靠性不受影响,并采用以低压低温侧制冷剂冷却逆变器的方法。原有的电动空调压缩机与逆变器在结构上是独立的,该技术方案通过缩小逆变器的体积,将逆变器和压缩机进行一体化设计,使压缩机更加小型化和轻量化。

  罗姆公司在2010年的日本高新技术博览会CEATEC上展示了使用SiC器件的新型电力电子模块的工作状况。该模块的特点是尺寸小、耐热性高,并可内置于电机中。展品包括集成多个沟道型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,并展示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景。同时,罗姆公司还展示了配备沟道型MOSFET和SBD的逆变器模块。该产品耐压为600V,输出电流为300A,特点是尺寸小。该模块的体积约为使用IGBT的逆变器模块的1/10,在225℃的高温下也可正常运行。不过,上述产品目前仍处于开发阶段,预计于2013年实现产业化。

  虽然家用电器领域已有个别部件在尝试驱动电源内置的电机技术,但是就整个家用电器行业而言,该技术的产业化尚未列入议事日程。就空调压缩机而言,电动汽车一体化空调压缩机技术正在向家用空调压缩机领域转移,目前主要的问题是需要时间。


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