- 我国半导体技术创新应用形势研究分析

　　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，可利用的最大直径为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结构最为稳定，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℃，芯片内部温差最大只有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芯片底板最被看好。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最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，最需要冷却。

　　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。