新一代功率器件將在2013年迎來技術(shù)大挑戰(zhàn)

　　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，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年一大熱點新聞

　　而GaN功率元件也一樣，在2012年取得了巨大進展。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，簡單地說，SiC及GaN功率元件與數(shù)年前相比，有種一下子來到身邊的感覺。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。另外還能實現(xiàn)以更高頻率開關(guān)的“高頻工作”。這樣一來，電感器等周邊部件便可輕松實現(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，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題；而高溫工作則需要使用低價格的周邊部件，同時必須要在超過200℃的溫度下實現(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、國防等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，給電子工業(yè)帶來革命性的影響。

　　2010年，全球半導(dǎo)體市場達到2983億美元，拉動上萬億美元的電子產(chǎn)品市場。

　　伴隨著半導(dǎo)體市場的壯大，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英寸單晶硅已在實驗室研制成功，全球每年集成電路中的硅用量大約2萬噸。

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

　　2011年，我國多晶硅產(chǎn)量為5萬噸。

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

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

　　但我國還停留在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，我國將擁有多條45～90納米的8英寸、12英寸生產(chǎn)線。2022年進入國際前列。

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

　　國際上預(yù)計，2022年將達到“極限”尺寸——10納米。

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

　　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的功耗增加而出現(xiàn)的問題。

　　GaAs、InP等材料被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、移動通訊、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)在實驗室研制成功。

　　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、移動通訊、微波通訊的領(lǐng)域。

　　實際上，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，使人類進入變幻莫測的量子世界。