半导体技术范文
时间：2023-11-08 17:21:20
半导体技术范文第1篇
《半导体技术》（CN：13-1109/TN）是一本有较高学术价值的大型月刊，自创刊以来，选题新奇而不失报道广度，服务大众而不失理论高度。颇受业界和广大读者的关注和好评。
《半导体技术》以严谨风格，权威著述，在业内深孚众望，享誉中外，对我国半导体事业的发展发挥了积极作用。“向读者提供更好资讯，为客户开拓更大市场”。荣获中国科技论文统计用刊，美国ProQuest数据库收录期刊。
半导体技术范文第2篇
关键词：半导体；光刻；图形；薄膜；沉积
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.11.038
0 引言
人来研究半导体器件已经超过135年[1]。尤其是进近几十年来，半导体技术迅猛发展，各种半导体产品如雨后春笋般地出现，如柔性显示器、可穿戴电子设置、LED、太阳能电池、3D晶体管、VR技术以及存储器等领域蓬勃发展。本文针对半导制造技术的演变和主要内容的研究进行梳理简介和统计分析，了解半导体制造技术的专业技术知识，掌握该领域技术演进路线，同时提升对技术的理解和把握能力。
1 半导体技术
半导体制造技术是半导体产业发展的基础，制造技术水平的高低直接影响半导体产品的性能及其发展。光刻，刻蚀，沉积，扩散，离子注入，热处理和热氧化等都是常用的半导体制造技术[2]。而光刻技术和薄膜制备技术是半导体制造技术中最常用的工艺，下面主要对以上两种技术进行简介和分析。
2 光刻技术
主流的半导体制造过程中，光刻是最复杂、昂贵和关键的制造工艺。大概占成本的1/3以上。主要分为光学光刻和非光学光刻两大类。据目前所知，广义上的光刻（通过某种特定方式实现图案化的转移）最早出现在1796年，AloysSenefelder发现石头通过化学处理后可以将图像转移到纸上。1961年，光刻技术已经被用于在硅片上制造晶体管，当时的精度是5微米。现在，X射线光刻、电子束光刻等已经开始被用于的半导体制造技术，最小精度可以达到10微米。
光学投影式光刻是半导体制造中最常用的光刻技术，主要包括涂胶/前烘、曝光、显影、后烘等。非光学光刻技术主要包括极深紫外光刻（EUV）、电子束光刻（E-beam Lithography）、X射线光刻（X-ray lithography）。判断光刻的主要性能标准有分辨率（即可以曝光出来的最小特征尺寸）、对准（套刻精度的度量）、产量。
随着半导体行业的发展，器件的小型化（特征尺寸减小）和集成电路的密集度提高，传统的光学光刻制造技术开始步入发展瓶颈状态，其面临的关键技术问题在于如何提高分辨率。
虽然，改进传统光学光刻制造技术的方法多种，但传统的光学投影式技术已经处于发展缓慢的阶段。与传统的投影式光刻技术发展缓慢相比，下一代光刻技术比如EUV、E-beam、X-ray、纳米压印等的发展很快。各大光刻厂商纷纷致力于研制下一代光刻技术，如三星的极紫外光刻、尼康的浸润式光刻等。目前先进的光刻技术主要集中在国外，国内的下一代光刻技术和光刻设备发展相对较为滞后。
3 薄膜制备技术
半导体制造工艺中，在硅片上制作的器件结构层绝大多数都是采用薄膜沉积的方法完成。薄膜的一般定义为在衬底上生长的薄固体物质，其一维尺寸（厚度）远小于另外二维的尺寸。常用的薄膜包括： SiO2， Si3N4， poli-Si， Metal等。常用的薄膜沉积方法分为化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）和物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）两种。化学气相沉积利用化学反应生成所需的薄膜材料，常用于各种介质材料和半导体材料的沉积，如SiO2， poly-Si， Si3N4等[3]。物理气相沉积利用物理机制制备所需的薄膜材料，常用于金属薄膜的制备，如Al， Cu， W， Ti等。沉积薄膜的主要分为三个阶段：晶核形成―聚集成束―形成连续膜。为了满足半导体工艺和器件要求，通常情况下关注薄膜的一下几个特性：（1）台阶覆盖能力；（2）低的膜应力；（3）高的深宽比间隙填充能力；（4）大面积薄膜厚度均匀性；（5）大面积薄膜介电＼电学＼折射率特性；（6）高纯度和高密度；（7）与衬底或下层膜有好的粘附能力。台阶覆盖能力以及高的深宽比间隙填充能力，是薄膜制备技术的关键技术问题。我们都希望薄膜在不平整衬底表面的厚度具有一致性。厚度不一致容易导致膜应力、电短路等问题。而高的深宽比间隙填充能力则有利于半导体器件的进一步微型化及其性能的提高。同时，低的膜应力对所沉积的薄膜而言也是非常重要的。
4 结语
虽然，与不断更新换代的半导产品相比，半导体制造技术发展较为缓慢，大部分制造技术发展已经趋于成熟。但是，随着不断发展的半导体行业，必然会对半导体制造技术的提出更高的要求，以满足半导体产品的快速发展。因此，掌握和了解半导体制造技术的相关专利知识有利于推进该领域的发展。
参考文献：
[1] Most of the classic device papers are collected in S.M Sze，Ed.，Semiconductor Devices：Pioneering Papers，World Sci. ， Singapore，1991.
[2]刘恩科.半导体物理学[M].第7版，电子工业出版社，2008.
半导体技术范文第3篇
1、概述
热电制冷是具有热电能量转换特性的材料，在通过直流电时具有制冷功能，由于半导体材料具有最佳的热电能量转换性能特性，所以人们把热电制冷称为半导体制冷。由于其结构紧凑、体积小、可靠性强、制冷迅速、操作简单、容易实现高精度的温度控制、无环境污染等优点，半导体制冷的应用范围渗透到各个行业，尤其在制冷量不大，又要求装置小型化的场合，更有其优越性，甚至在某些方面，有着压缩式无法替代的能力。
本文主要介绍半导体制冷的相关技术领域的专利申请数据进行统计、整理以及分析，总结该技术领域专利技术的特点、现状以及发展趋势，通过获取国内外该领域的专利申请情况，简要分析半导体制冷技术的研究进展。
2、半导体制冷原理
半导体制冷是利用半导体材料组成P-N结，通过两端施加直流电进行制冷， 将电能直接转化为热能的技术。
载流子从一种材料迁移到另一种材料形成电流，而每种材料载流子的势能不同。因此，为了满足能量守恒的要求，载流子通过结点时，必然与其周围环境进行能量的交换。能级的改变是现象的本质，这使构成制冷系统成为可能。
如图1把一只P型半导体元件和一只N型半导体元件联结成热电偶，接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量转移。在上面的接头处，电流方向是N P，温度下降并吸热，这就是冷端。而在下面的接头处，电流方向是PN，温度上升并放热， 因此是热端。
3、专利技术现状分析
半导体制冷由于应用范围很广泛，除主要用于制冷、通风及温度控制的系统外，其他领域的涉及也很多。因此主要在VEN数据库、CNABS数据库里通过半导体制冷、热电制冷、温差电制冷的关键词进行专利文献的分析，以上述所有的专利文献为研究对象，其中VEN中的文献11666篇，CNABS中的文献5214篇。
3.1 全球申请量的年度发展趋势
由图5中可以看出，从1970年起半导体制冷的专利申请逐年相对稳定增长，我国应用半导体制冷的第一件专利申请出现在1987年。世界范围内在1970年～1988年这段时间申请量较少，1988年以后，申请量开始逐年稳定增长。近两年的时间里，随着半导体制冷材料的不断改进，半导体制冷技术正处于一个快速发展的时期，并且由于半导体制冷技术存在着一些缺点和不足，还有很大发展的空间，从图中也可以很明显看出，半导体制冷领域的专利申请大部分都在中国，可见我国对于该领域给予了很高的重视。
3.2 国家和地区分布
图6示出世界范围内半导体制冷领域专利申请量按国家和地区的分布情况。从图6可以看出中国的专利申请量远远大于其他各个国家，占据了全部专利申请量的42%，处于世界的领先地位。其次是美国、日本和欧洲其他发达国家。
3.3 中国申请专利分析
3.3.1 各领域分布情况
半导体制冷的应用分类号的前五名为：F25B21+、F24F5+、F25D11+、G05D23+、H01S3+，其中前三个分类号为制冷、冷却、空气调节、通风相关领域，G05D23/00为温度的控制，H01S3/00为激光器，可见除制冷、温度控制等专业领域外，半导体制冷在激光器的冷却应用可以达到比较好的效果。另外，由于半导体制冷可应用于各个行业，针对行业应用情况进行统计，如下图所示：
3.3.2 主要申请人
表1示出了在华申请量前20名的申请人，大部分为高校和研究所申请，还包括部分公司申请及个人申请。
可见，我国的半导体制冷领域大部分还停留在理论研究阶段，尚未发展成熟。可以预见对半导体制冷领域的研究将越来越深入，也会逐步的将其应用于产品中。
3.4 国外专利申请分析
3.4.1各领域分布情况
如图8所示，在世界范围内，半导体制冷领域多应用于电学类，其次为机械、照明、加热，由于半导体制冷在制冷量不大，又要求装置小型化的场合有着明显的优势，因此在电学领域应用最广也是可以预见的，从此也可以看出世界范围内的发展已经达到了比较成熟的程度，可以将其广泛的应用于最适合的领域。
3.4.2 主要申请人
表2示出了世界范围内申请量前20名的申请人，大部分为外国企业申请，且日本申请占据大多数。可见，在世界范围内半导体制冷领域已经广泛的应用于实际应用中，而虽然我国的申请量占据大多数，但整体实用价值不明显。但是，现在正是我国半导体制冷技术发展的高峰期，随着技术的不断完善，将其大量的应用于实践也是必然的趋势。
4、小结
中国是一个能耗大国，如何能降低能耗，实现可持续发展，研究和开发具有环境友好型的技术就成为一种必须。半导体制冷作为一种新兴发展起来的制冷技术，是一种具有良好前景的制冷方式。由于半导体制冷具有清洁、无噪音污染和有害物质排放、寿命长、坚固、可靠性高、稳定性好等一系列优点，符合绿色环保要求，对国民经济的可持续发展具有重要的战略意义。目前，我国的半导体制冷领域正处于快速发展的阶段，应继续加强对该领域的研究，我国企业也应加大创新力度，完善优化系统结构，以实现半导体制冷的普遍应用。
参考文献
[1] 贾艳婷，徐昌贵， 闫献国， 田志峰，半导体制冷研究综述. 制冷. 2012.3（1）：49-55.
半导体技术范文第4篇
火是人类最初的能源，用于取暖、熟食，甚至驱散猛兽。火的应用提高了人类的文明程度，热量的提升，又使人类从石器时代进入了青铜器时代。适至18世纪英国工业革命，在蒸汽机的推动下建立起了现代文明社会，蒸汽机将热能转换为机械能，促进了大量生产。以后随着火力发电厂的建设，石油的开采。汽油发动机的出现，核发电厂的应用，煤、石油、天然气、铀等自然资源不断被开采出来，为人类提供能源。据美国能源部的报告，2003年世界的用电量为14.8万亿度，其中发达国家占29％，其余国家占71％，预计到2030年将翻一番多，达30.1万亿度。当前煤电仍占主导地位，天然气电其次占20％，油电10％，其余为核、水、太阳、风等。但是，自然资源的蕴藏量都是有限的，按照今天的消费程度发展，预期到本世纪20～30年代人类即将遭遇到能源大危机。
解决之道何在?
因此，世界各国无不在为这一巨大难题而尽心竭力，探索一切可行的解决之道。从宏观上讲，实际不外两种办法：一是寻求可再生能源以取代现有天然资源：二是想方设法提高现用能源的效率和采取节约措施。前者包括水、风和太阳能，特别是太阳能近年尤其受到人们的注意。据统计，照到地球上1小时的太阳能即约等于全世界1年消耗的能量。太阳能利用最有效的方法，就是通过采用硅材料制成的太阳能电池。硅太阳能电池经过s0年的发展已取得了很大进步，它的转换效率提高了近10倍，达到了11％～19％，成本降低了100倍、寿命超过20年，2008年世界市场规模已达180亿美元。Gartner市场调查公司预测，到2013年间将以每年17％的速度快速增长，届时将达340亿美元，且翼发电量还仅仅占世界总发电量的百分之几，前景无限广阔，一片光明。
第二种解决方案是增效和节约，现有能源的方方面面都牵涉得到、下面将分别介绍。值得注意的是，不论开拓可再生能源还是增效、节能都离不开半导体技术的创新应用。据国外媒体报道，1978年以来30年间，半导体技术已使汽车的效率提高了40％、飞行客机提高了120％，照明提高了340％，计算机系统更是提高了3万倍。
应用半导体技术是关键
电的传输
据报道，现在的电能大约三分之二在传输和配电过程中损失掉了。这是多么巨大的损失和节电机遇!世界大多数地方的电网已使用了几十年甚至上百年，出了问题非但不好找，还不能迅速提出解决方案。针对这一困扰的首要改造任务是需将现有电网革新为“智能电网”(srllart grid)，所需革新技术包括传感器、处理器、优化系统和软件等。以美国而论，到2010年才有一半电网可实现数字化，理想的网络是自复网(self-healing network)，能自己诊断故障和进行修复，这就需要复杂的片上系统，其上有传感、通信、存储和处理等功能。一且实现，每年即可节约千亿美元，节电几百千兆瓦。
工业用电
工业用电占世界总发电量的40％，是最大的用电部门。电机则又是工业用电最大户、它占了工业用电的三分之二。如果采用半导体技术控制了电机速度，那就能使电机耗电下降至定速电机的八分之一。目前虽然只有5％的电机是变速驱动的，但即使如此，它的节电便已相当于5个发电厂发的电，如果所有发电机都提高了效率，那节电效果便可相当于200个发电厂。-此外，利用半导体技术进行控制，也可使太阳能电池板仅在晴天工作，风力发电机只在有风天工作，把电能储存起来以供夜间、阴雨天和无风天应用。
数字技术已成为现代社会人们工作或生活中不可或缺的一部分。数字系统消费的电能日益增加。例如，2006年美国服务器和数据中心消费的电能达510亿度，比2001年增长了一倍。如果无所作为，那么5年后数据中心消耗的电能还将翻番。不过，通过半导体芯片和设计技术的革新，就会使电能节省一半。半导体技术节能效果十分显着，像世界首台采用电子管的电子计算机ENIAC重30吨，耗电200kW，而今天具有同样功能的半导体计算设备，小到可放在手心里，重不过几克，耗电不足IW。
交通
在美国交通能耗约占其总能耗的近三成，而交通工具包括飞机、汽车和火车的增效和节能也都离不开半导体芯片。一辆高档轿车配置的电动驾驶、引擎控制、防撞系统、通信导航、视听娱乐、速度调节、轮胎压力控制、车内冷暖供应、空气清新等功能，使用户进一步获得安全、经济和娱乐的享受，同时更加节油和改善环境，这些无一不使用到芯片，用于传感、处理和存储、有些车使用的微处理器已有百个之多。电子设备所占汽车成本日益提高，目前已达25％左右，汽车电子成为电子业开拓未来的重要市场之一。
电动汽车和混合燃料汽车更需半导体技术，车用电压的改变，能源IC的大量应用，以及对它们的研究开发，相比传统车将对节能做出更大的贡献，并使二氧化碳的排放量减少30％以上。此外，通过通信和计算技术的进步，使得居家办公成为现实，美国现已有近400万员工居家上班。这可使每年节约8.4亿加仑汽油、节电i00亿度、减排二氧化碳1400万吨。
居民用电
居民用电在美国占全部用电的三分之一，用量很大，但据预测，未来10年美国家庭数量将增长11％，而用电仅增加6％。原因也在于使用了半导体技术。照明用电是家庭用电之一，由于照明革新，采用半导体LED取代传统照明，将使耗电量减少21％。同时，居民用电中的备用电源也是很费电的，无绳电话和越来越多的先进家电都有备用电源，且往往昼夜工作，因而据调查，美国备用电源竟占其家用总耗电量的5％～10％。
智能大楼在前几年还不过是个梦想，可如今已成现实。智能大楼的能源智能化，使用微处理器控制家用电器及供暖、空调设备等。大量的传感器用以控制许多有关设备，保证居民节电和安全。智能家庭还可使居民于任何地方通过联网的电脑或个人数字助理来无线控制家中所有的电子设备。
半导体技术范文第5篇
半导体制造技术能否持续突破，材料一直扮演着重要的角色，从最早的锗(Ge)，到随后普遍应用的硅(Si)，近年来又衍生出更多新材料，本文将针对此方面的新材料、新趋势的发展，以及现有的技术难题等进行讨论。
铜导线材料
在半导体技术发展初期的20世纪50年代，主要是以锗元素为材料，不过锗元素的耐高温性不足、抗辐射能力差，以致在20世纪60年代后逐渐被硅元素取代。硅在抗热、抗辐射等方面的表现都优于锗，适合用来制做大功率的集成电路。近年来，随着制造技术不断缩小到0．25gm以下，集成电路在线路上的电阻电容延迟(RC-Delay)效应已经增大到使线路信号难以更快速传递，即晶体管导通、关闭的速率难以更快，并且增加线路问的串音噪声干扰，这些问题在频率接近1GHz时就会产生。
为了克服这一阻障，必须更换半导体信号线路的材料，从过往的铝(A1)替换成铜(Cu)，换材料之后线路的电阻值降低，铝的阻值为2．8微欧姆每厘米(2．8gOhm／cm)，铜则是1．7gOhm／cm，这样寄生RC问题获得缓解，芯片的频率速率可进一步推升。同时，铜线路也有更好的抗“电子迁移”能力，使芯片可以更持久地运作。除了换材料，制造过程方面也必须搭配改变，过去铝线是采用溅镀方式制做，换成铜导线则使用电镀方式制做，如此在过程成本上也更为节省。此外，由于铜的反应较为活泼，因此更容易渗到硅基材中，也容易污染无尘室，这使得制造过程中需要更谨慎地控制。
硅绝缘材料
芯片电路不断精密后，除了有前面提到的延迟问题外，另一个问题是漏电。漏电问题愈来愈严重的结果是使芯片的功耗攀升。举例而言，过去Intel的Pentium 4处理器其总体功耗的1／4皆为漏电，只有3／4的用电是真正投入运算工作。很明显，过去的硅基板绝缘层(SOS)已难以抑制漏电，需要更换新的绝缘材料来强化，业界提出了硅覆绝缘(SOI)技术(上覆硅技术)，以二氧化硅(si02)为绝缘材料减缓漏电率的成长。
善用S01技术的结果，可以降低芯片50％左右的功耗。如今不仅便携电子产品讲究省电，就连机房用的高速运算也讲究省电，电力成为数据中心运营中，仅次于薪酬的第二大开销，因此在芯片日益强调省电特性下，SOl技术的重要性也持续增高。比较特别的是，业界也有人对S01技术持不同看法，虽然硅绝缘抑制了漏电，但连带也阻碍了热消散。因为二氧化硅的热传导率低于50W／mk，而硅则是120W／mk，既然热消散不易，也就连带限制了芯片频率的提升，因为更高频率的运作会加速热的产生。再者，绝缘的氧化物具有离子化倾向，受辐射所影响容易诱发出额外的电流，使芯片内噪声增加。
因此，也有人提出以钻石为绝缘层的作法，称为SOD。钻石的本质为碳(C)，绝缘性佳(1016Ω/cm)、热传导率高(大于1200W／mk)，可有效绝缘又可有效散热。虽然如此，SOI仍是一项具变革性的新材料作法，目前SOI主要是用氧植入(sIMOX)法或氢植入法，其中氢植入法以法国Soitec公司的Smart Cut技术为主。
低介电质材料
如前所述，铜导线技术在于降低RC-Delay效应，而铜线主要的目的是降低R值，但对线路与线路问的C值却没有改善。为了改善线路间的绝缘效果，人们开始思索用新的绝缘材料来替代原有的SiO，绝缘材料，这方面的替代方案称为低介电质技术。所谓低介电质，其k值(介电系数)愈低则绝缘性愈高，SiO2的k值约在3．9～4-5问，而可行的替代材料包括氟硅玻璃(FSG)、黑钻石、BLOK(Bartier Low k)等。以FSG而言，事实上还有不同的制成方法，以化学气相沉积法(CVD)产生的，可使k值达2．6～3．1，而使用旋转式涂布法(SOD)的则更可低至2．0。当然，最好的低介电质是真空，其k值为1，干燥的空气则接近1，但因为不是固态物而无法使用。
高介电质、应变硅
除上述外，为了让芯片有更快的效能，提出了高介电质与应变硅等技术。高介电质材料主要是替换原有位于闸极金属电极与硅基板间的SiO，绝缘材，如此可使晶体管的导通、关闭更加快速，预计可比传统SiO，作法快60％，此外闸极的漏电也能降低(将绝缘层加厚)，降低漏电就能减少功耗与发热。不过目前高介电质技术仍有些方面不易突破。至于应变硅方面，应变硅技术并非替代材料，晶圆基板材料依旧是硅，但却改变硅原子结构的间距，使电子移动的速度增快，进而提升芯片的运作效率。
太阳能板
由于石油将在数十年后用尽，使人们增加对太阳能发电、太阳电池等技术的关注度，其中太阳能发电中的太阳能板也是用半导体材料所制作。目前太阳电池最广泛使用的材料为硅，并可分成晶硅与非晶硅，其中晶硅还可再分成单晶硅与多晶硅，如此即有三种类型的材料：单晶硅、多晶硅、非晶硅，三种材料的光电转换效率也各有差异，分别为l 2％～2 4％、10％～19％、1％-13％。而真正较常运用的是单晶与非晶，前者因转换效率高而受青睐，后者则有成本低、制造容易等特点。要注意的是，非晶硅除纯硅之外，也有化合性质的作法，如碳化硅SiC、锗化硅SiGe、氢化硅Sill、氧化硅SiO等等。除了硅为主体的太阳能基板，也有非硅的化合物作法，一样区分成单晶类与多晶类，单晶类的材料为砷化镓GaAs、磷化铟InP；多晶类则有硫化镉CdS、碲化镉CdTe、铜锗化铟CulnSe、二锗铜化铟／镓Cu(In，Ga)Se，等等。非晶硅材料或化合物材料多用在薄膜技术制成太阳能板中。
附带一提的还有一种初展露、尚在研发的有机(oganic)太阳能电池、纳米太阳能电池，使用的材料为二氧化钛TiO2，然而因为光电转换率仅1％～4％，离实用化仍有一段距离。
无线射频
无线射频(RF)电路、集成电路、微波功率电路等所用的材料，必须从形成的基础构造来讨论，这包括晶体管、异质接面双极晶体管(HBT)、金属半导体场效晶体管(MESFET)、以及高电子迁移率晶体管(HEMT，也称异质结构场效晶体管HFET)。
在具体材料上，晶体管用的是硅，HBT的基板部分使用SiGe、GaAs，其上的生成层则用A1GaAs、InP、InGaP，此外宽能带(Wide―bandgap)的材料也备受瞩目，如GaN、InGaN；MESFET则是GaAs、InP、SiC(从未使用纯 硅)；HEMT则是以“GaAs与A1GaAs”或“A1GaN与GaN”所构成。除了材料外，基础结构也有所不同，以Si为主材料若用于射频电路中，多半采用BiCMOS的基础结构，即是结合BJT与CMOS的结构特点而成，此称为Si Bi CMOS制程技术，射频电路采行SiGe、si Bi CMOS等作法，在高频运作时有较好的表现。
另外，与HEMT相关的还有pHEMT、mHEMT等，使用的基板主材是GaAs，缓冲层则是AHnAs，信道材料则是GaInAs。
发光二极管
过去认为发光二极管仅做为状态信号之用，但其实这只是可见光的部分，不可见光的红外线LED、紫外线LED也各有用途：红外线LED用于遥控器、保全装置；紫外线则用于钞票鉴识器、树脂硬化、光催化等；最新的超短波长的远紫外线LED则可望用于污染物分解、新型光储存媒体读写、纳米科技等。更进一步，由于蓝光技术成熟后，白光也成为可行，加上亮度表现不断提升，使LED的应用范畴逐渐提升，包括液晶显示器的背光、电子照明等开始陆续采行LED。以下列出常见的LED发光材料：
A1GaAs：红光、红外光
A1GaP：绿光
A1GalnP：高亮度的橘光、橙光、黄光、绿光
GaAsP：红光、橘光、黄光
GaP：红光、黄光、绿光
GaN：绿光、草绿光、蓝光
InGaN：近紫外光，蓝绿光，蓝光
ZnSe：蓝光
C(钻石)：紫外光
A1N：远紫外光～近紫外光
A1GaN：远紫外光～近紫外光
值得注意的是，近年来为了适应LED持续提升亮度的需求，在(蓝光LED)基板材料上也进行了多番变革，包括碳化硅SiC、蓝宝石(A1203)等，此外纯硅的材料也相当受关切，尤其基板不仅要与发光体搭配，还必须达到最高的透光率，以免阻碍发光体的亮度发挥。
结语
半导体技术范文第6篇
关键词：半导体制冷；帕尔帖效应；制冷效率；热电堆
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.23.252
0 引言
上个世纪初，人们做了很多电磁的实验，发现了金属材料的热电效应，但是由于这些金属材料的热电性能比较差，所以效率是非常低的。直到本世纪50年代之后，半导体材料发展迅速，所以致使热电效率也大幅的增加，从而使热电制冷也开始发展。由于半导体材料具有非常好的热电能量转换性质，将它的这一性质在热电制冷中得到了应用，所以把热电制冷叫做半导体制冷；同时又由于帕尔帖效应与温差发电对应，所以又叫做温差电制冷。这种比较新型的制冷技术与传统的制冷技术不同，没有制冷剂和一些制冷设备，从而在一些特殊的领域中将得到十分广阔的前景。
热电效应是由塞贝克、珀尔帖、汤姆逊、焦耳和富里叶五种不同的效应组成的，其中前三种效应电和热能相互转换是直接可逆的，另外两种效应的热是不可逆效应。
1 半导体制冷技术
1.1 半导体制冷的原理
热电制冷装置是由热电制冷效率较好的，热电效应比较明显的半导体热电偶构成的。如图1-1所示，把一只N型半导体元件和一个P型半导体元件组合成的热电偶，通电之后，就会在接头处产生热量的转移和温度差。对于N型半导体，其导电机构是自由电子，与金属的价电子相类似；对于P型半导体，其导电机构是空穴，与自由电子的区别是电荷数相等而符号相反。所以，上面的接头处是冷端，吸热且温度下降，电流的方向是N到P；下面的接头处是热端，放热且温度上升，电流的方向是P到N。其次借助热交换器等各种传热手段，使热电堆的热端不断散热并且保持一定的温度，把热电堆的冷端放到工作环境中去不断的吸热降温，这就是热电制冷器的工作原理。
Z代表了热点材料的一种特性。同时可以决定制冷元件所能达到的最大温差。由上式可以得到，为了提高优值系数Z，就要提高温差电动势α，降低电阻率R和导热系数K。上式公式也说明热电材料性能的提高还要有待于半导体材料的发展，因为金属的热电势很低，而半导体靠空穴和电子可以呈现出非常大的温差电动势。
其次电偶在热端放出的热量：QH=Q0+Q1，其中Q1为一对电偶的消耗功率，故放热系数ε1 = QH/Q1 = 1+ε。可以看出利用热电原理做热泵是很有利的。
1.2 多级半导体制冷
一个P型和N型半导体制冷元件与连接片串联起来，组成的制冷单元称为单级热电堆。但是由于单个制冷电偶的制冷效率比较低，如果把电偶进行串联或并联起来组成多级热电堆，这样就会增大制冷温差，所以制冷效率将会大大提高。
如下图所示，图1-2是常见的二级堆串联电路，图1-3是常见的二级堆并联电路，图1-4是常见的串并联混合电路。
串联型多级热电堆的特点是各级的电流都相同。级与级之间需要一层电绝缘导热层，（一般用阳级氧化铝、氧化铍等[1]），同时为了使每一级都处于最佳工作电流，上一级元件的长度比下一级元件的长度要略长一点，来防止上一级元件电导率增加引起的电流的偏离。对于串联型多级热电堆在同一温差和承受同一负载时要比并联型消耗较大的功率。
并联型多级热电堆的特点是工作电流较大，级与级之间无需电绝缘导热层，因此级间无有害温差。同时各级的电偶数与级数应对应相等，每一级的两边的两个元件的截面积应比中间的大一些。其次把并联型多级堆各级的中间部位断开，在级与级之间加上绝缘层之后，用导线连接起来可以成为串联多级电堆。
串并联多级热电堆的特点结合串联型多级热电堆的特点和并联型多级热电堆的特点。
如前所述，热端的散热量比冷端产冷量要大很多倍，由QH = Q0 + Q1可知，为了得到较大温差，第一级元件对数比第二级元件对数大许多倍。由于这个因素以及温度越低热电性能越差，所以级数不宜过多，一般2到3级为宜。
1.3 半导体制冷技术与机械压缩制冷技术的异同
半导体制冷与机械压缩制冷相比，在正常工作通入电流时，自由电子和空穴在电场的作用下，离开热电堆的冷端向热端运动，这一过程相当于制冷机中的压缩过程，其中热电堆起压缩机的作用。在热电堆的冷端，通过热交换器吸热，同时产生空穴―电子对，这一过程相当于在蒸发器中的吸热和蒸发过程，其中冷端及其热交换器起着蒸发器的作用。在热电堆的热端，发生空穴―电子对的复合，同时通过热交换器散热，相当于制冷剂在冷凝器的放热和凝结，其中热端及其热交换器起着冷凝器的作用。
半导体制冷与机械压缩制冷的区别在于：不使用制冷剂，有很好的环境友好型，消除了制冷剂泄漏对环境的危害，所以对一些特定的场合比较适用；没有制冷装置的运动部件，所以无噪音，无振动，工作可靠，维护比较方便；半导体制冷的尺寸比较小型化，在一些场合可以提现出它的优势；半导体制冷可以通过调节工作电压来改变它的制冷量；半导体制冷一般使用直流电工作，所以对工作电压的脉动范围有一定的要求。
基于以上半导体制冷所表现出来的特点，在一些特殊的，不能使用制冷剂的情况中，以及一些小容量等一些制冷条件中，半导体制冷表现出了它的优越性，同时也成为了现代制冷技术中的一个重要的组成部分。
2 半导体制冷技术的发展前景
2.1 半导体制冷在工业技术的应用
半导体制冷在工业上的应用也是非常广泛的，一些产品的生产工艺及产品的性能的测试都离不开半导体制冷；一些变电站的除湿问题也需要通过半导体制冷解决；油等一些液体的恒温控制，通过半导体制冷都能很方便的解决。其次半导体制冷在真空技术中也有非常重要的应用。所以，半导体制冷技术的发展对工业技术具有非常大的意义。
2.2 半导体制冷在电子技术的应用
半导体制冷在电子技术的发展中是一项不可缺少的先进技术，在一些大规模的集成电路，功率元件和一些设备冷却方面，半导体都提现了它独一无二的功能。同时，随着现代技术的进步，对各类电子元器件的温度性能要求越来越高，而利用热电制冷器的正反向工作特性，就能早就一个合适的高低温条件，而且工作容积非常小，使用方便，应用范围也非常广泛。
2.3 半导体制冷在测温技术的应用
随着现代制冷技术的进步，半导体制冷技术在测温技术方面也表现出了它极大的优势。例如半导体制冷零点仪的出现，改变了一般习惯上使用冰作为电热偶测温零度基准点的传统，并且操作简单，零点准确，在测温技术中是一个重大的创新。由此可见半导体制冷在测温技术中的应用是其他制冷技术所不能代替的。
3 结论
（1）半导体制冷技术虽然在制冷过程中表现出了它独特的优势，但是其制冷效率还是比较低的，所以现在提高半导体的优值系数Z显得尤为重要。
（2）相比与单级制冷热电堆，多级制冷热电堆可以获得更大的温差和更低的温度，所以大大提高了制冷效率，同时也更加实用。
（3）半导体制冷在一些特殊行业和环境中的应用以及考虑节能等因素，表现出了它的重要性，对半导体制冷技术的深入研究是非常必要的。
参考文献：
[1]徐德胜.半导体制冷与应用技术[M].上海：上海交通大学出版社，1992.
[2]谢玲，汤广发.半导体制冷技术的发展与应用[J].洁净与空调技术，2008（01）：68-71
[3]方贵银，张曼，吴双茂等.分离式热管蓄冷空调系统充冷性能实验研究[J].制冷学报，2009，30（04）：46-50.
[4]刘辉.半导体多级制冷器的设计与性能优化[D].上海：同济大学，2008.
[5]金新，徐小农，芮瑛.热电制冷循环物理机理讨论[J].低温工程，1993（04）：1-6.
[6]杨玉顺，王国庆.热电制冷循环最佳特性分析[J].哈尔滨工业大学学报，1990（04）：50-59.
[7]简弃非，梁荣光，张勇等.半导体制冷效率及空间冷量传递特性试验研究[J].华南理工大学学报（自然科学版），2001，29（05）：72-75.
[8]宜向春，王维扬.一种空间复合制冷系统的可行性分析―半导体制冷器/热管/辐射制冷器[J].低温工程，1999（06）：40-44.
[9]王宏杰，陈金灿.耦合半导体制冷系统性能特性的优化分析[J].半导体学报，2001，22（7）：938-943.
[10]李茂德，卢希红.热电制冷过程中散热强度对制冷参数的影响分析[J].同济大学学报，2002，30（07）：811-813.
半导体技术范文第7篇
关键词:节能;减排;功率半导体
Foundational Technology of Energy-Saving & Emission Reduction ――Power Semiconductor Devices and IC’s
ZHANG Bo
(State key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices,
University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054,China)
Abstract: Power semiconductor devices and IC’s, an important branch of semiconductor technology, are a key and basic technology for energy-saving and emission reduction with the wide spread use of electronics in the consumer, industrial and military sectors. The development,challengeand market of power semiconductor devices are discussed in this paper. The future perspectives and key development areas of power semiconductor devices and IC’s in China are also described.
Keywords: Energy-saving; Emission reduction; Power semiconductor device
1引言
功率半导体芯片包括功率二极管、功率开关器件与功率集成电路。近年来,随着功率MOS技术的迅速发展,功率半导体的应用范围已从传统的工业控制扩展到4C产业(计算机、通信、消费类电子产品和汽车电子),渗透到国民经济与国防建设的各个领域。
功率半导体器件是进行电能处理的半导体产品。在可预见的将来,电能将一直是人类消耗的最大能源,从手机、电视、洗衣机、到高速列车,均离不开电能。无论是水电、核电、火电还是风电,甚至各种电池提供的化学电能,大部分均无法直接使用,75%以上的电能应用需由功率半导体进行变换以后才能供设备使用。每个电子产品均离不开功率半导体器件。使用功率半导体的目的是使用电能更高效、更节能、更环保并给使用者提供更多的方便。如通过变频来调速,使变频空调在节能70%的同时,更安静、让人更舒适。手机的功能越来越多,同时更加轻巧,很大程度上得益于超大规模集成电路的发展和功率半导体的进步。同时,人们希望一次充电后有更长的使用时间,在电池没有革命性进步以前,需要更高性能的功率半导体器件进行高效的电源管理。正是由于功率半导体能将 ‘粗电’变为‘精电’,因此它是节能减排的基础技术和核心技术。
随着绿色环保在国际上的确立与推进,功率半导体的发展应用前景更加广阔。据国际权威机构预测,2011年功率半导体在中国市场的销售量将占全球的50%,接近200亿美元。与微处理器、存储器等数字集成半导体相比,功率半导体不追求特征尺寸的快速缩小,它的产品寿命周期可为几年甚至十几年。同时,功率半导体也不要求最先进的生产工艺,其生产线成本远低于Moore定律制约下的超大规模集成电路。因此,功率半导体非常适合我国的产业现状以及我国能源紧张和构建和谐社会的国情。
目前,国内功率半导体高端产品与国际大公司相比还存在很大差距,高端器件的进口替代才刚刚开始。因此国内半导体企业在提升工艺水平的同时,应不断提高国内功率半导体技术的创新力度和产品性能,以满足高端市场的需求,促进功率半导体市场的健康发展以及国内电子信息产业的技术进步与产业升级。
2需求分析
消费电子、工业控制、照明等传统领域市场需求的稳定增长,以及汽车电子产品逐渐增加,通信和电子玩具市场的火爆,都使功率半导体市场继续保持稳步的增长速度。同时,高效节能、保护环境已成为当今全世界的共识,提高效率与减小待机功耗已成为消费电子与家电产品的两个非常关键的指标。中国目前已经开始针对某些产品提出能效要求,对冰箱、空调、洗衣机等产品进行了能效标识,这些提高能效的要求又成为功率半导体迅速发展的另一个重要驱动力。
根据CCID的统计,从2004年到2008年,中国功率器件市场复合增长率达到17.0%,2008年中国功率器件市场规模达到828亿元,在严重的金融危机下仍然同比增长7.8%,预计未来几年的增长将保持在10%左右。随着整机产品更加重视节能、高效,电源管理IC、功率驱动IC、MOSFET和IGBT仍是未来功率半导体市场中的发展亮点。
在政策方面,国家中长期重大发展规划、重大科技专项、国家863计划、973计划、国家自然科学基金等都明确提出要加快集成电路、软件、关键元器件等重点产业的发展,在国家刚刚出台的“电子信息产业调整和振兴规划”中,强调着重从集成电路和新型元器件技术的基础研究方面开展系统深入的研究,为我国信息产业的跨越式发展奠定坚实的理论和技术基础。在国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)中明确提出,功率器件及模块技术、半导体功率器件技术、电力电子技术是未来5～15年15个重点领域发展的重点技术。在目前国家重大科技专项的“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”和“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”两个专项中,也将大屏幕PDP驱动集成电路产业化、数字辅助功率集成技术研究、0.13微米SOI通用CMOS与高压工艺开发与产业化等功率半导体相关课题列入支持计划。在国家973计划和国家自然科学基金重点和重大项目中,属于功率半导体领域的宽禁带半导体材料与器件的基础研究一直是受到大力支持的研究方向。
总体而言,从功率半导体的市场需求和国家政策分析来看,我国功率半导体的发展呈现以下三个方面的趋势:① 硅基功率器件以实现高端产品的产业化为发展目标;② 高压集成工艺和功率IC以应用研究为主导方向;③ 第三代宽禁带半导体功率器件、系统功率集成芯片PSoC以基础研究为重点。
3功率半导体技术发展趋势
四十多年来,半导体技术沿着“摩尔定律”的路线不断缩小芯片特征尺寸。然而目前国际半导体技术已经发展到一个瓶颈:随着线宽的越来越小,制造成本成指数上升;而且随着线宽接近纳米尺度,量子效应越来越明显,同时芯片的泄漏电流也越来越大。因此半导体技术的发展必须考虑“后摩尔时代”问题,2005年国际半导体技术发展路线图(The International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)就提出了另外一条半导体技术发展路线,即“More than Moore-超摩尔定律”, 如图1所示。
从路线图可以清楚看到,未来半导体技术主要沿着“More Moore”与“More Than Moore”两个维度的方向不断发展,同时又交叉融合,最终以3D集成的形式得到价值优先的多功能集成系统。“More Moore”是指继续遵循Moore定律,芯片特征尺寸不断缩小(Scaling down),以满足处理器和内存对增加性能/容量和降低价格的要求。这种缩小除了包括在晶圆水平和垂直方向上的几何特征尺寸的继续缩小,还包括与此关联的三维结构改善等非几何学工艺技术和新材料的运用等。而“More Than Moore”强调功能多样化,更注重所做器件除了运算和存储之外的新功能,如各种传感功能、通讯功能、高压功能等,以给最终用户提供更多的附加价值。以价值优先和功能多样化为目的的“More Than Moore”不强调缩小特征尺寸,但注重系统集成,在增加功能的同时,将系统组件级向更小型、更可靠的封装级(SiP)或芯片级(SoC)转移。日本Rohm公司提出的“Si+α”集成技术即是“More Than Moore”思想的一种实现方式,它是以硅材料为基础的,跨领域(包括电子、光学、力学、热学、生物、医药等等)的复合型集成技术,其核心理念是电性能(“Si”)与光、力、热、磁、生化(“α”)性能的组合,包括:显示器/发光体(LCD、EL、LD、LED)+LSI的组合感光体、(PD、CCD、CMOS传感器)+LSI的形式、MEMS/生化(传感器、传动器)+LSI等的结合。
在功能多样化的“More Than Moore”领域,功率半导体是其重要组成部分。虽然在不同应用领域,对功率半导体技术的要求有所不同,但从其发展趋势来看,功率半导体技术的目标始终是提高功率集成密度,减少功率损耗。因此功率半导体技术研发的重点是围绕提高效率、增加功能、减小体积,不断发展新的器件理论和结构,促进各种新型器件的发明和应用。下面我们对功率半导体技术的功率半导体器件、功率集成电路和功率系统集成三个方面的发展趋势进行梳理和分析。
1) 功率半导体(分立)器件
功率半导体(分立)器件国内也称为电力电子器件,包括:功率二极管、功率MOSFET以及IGBT等。为了使现有功率半导体(分立)器件能适应市场需求的快速变化,需要大量融合超大规模集成电路制造工艺,不断改进材料性能或开发新的应用材料、继续优化完善结构设计、制造工艺和封装技术等,提高器件功率集成密度,减少功率损耗。目前,国际上在功率半导体(分立)器件领域的热点研究方向主要为器件新结构和器件新材料。
在器件新结构方面,超结(Super-Junction)概念的提出,打破了传统功率MOS器件理论极限,即击穿电压与比导通电阻2.5次方关系,被国际上誉为“功率MOS器件领域里程碑”。超结结构已经成为半导体功率器件发展的一个重要方向,目前国际上多家半导体厂商,如Infineon、IR、Toshiba等都在采用该技术生产低功耗MOS器件。对于IGBT器件,其功率损耗和结构发展如图2所示。从图中可以看到,基于薄片加工工艺的场阻(Field Stop)结构是高压IGBT的主流工艺;相比于平面结结构(Planar),槽栅结构(Trench)IGBT能够获得更好的器件优值,同时通过IGBT的版图和栅极优化,还可以进一步提高器件的抗雪崩能力、减小终端电容和抑制EMI特性。
功率半导体(分立)器件发展的另外一个重要方向是新材料技术,如以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料。宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、临界击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、抗辐射能力强等特点,是高压、高温、高频、大功率应用场合下极为理想的半导体材料。宽禁带半导体SiC和GaN功率器件技术是一项战略性的高新技术,具有极其重要的军用和民用价值,因此得到国内外众多半导体公司和研究结构的广泛关注和深入研究,成为国际上新材料、微电子和光电子领域的研究热点。
2) 功率集成电路(PIC)
功率集成电路是指将高压功率器件与信号处理系统及接口电路、保护电路、检测诊断电路等集成在同一芯片的集成电路,又称为智能功率集成电路(SPIC)。智能功率集成作为现代功率电子技术的核心技术之一,随着微电子技术的发展,一方面向高压高功率集成(包括基于单晶材料、外延材料和SOI材料的高压集成技术)发展,同时也向集成更多的控制(包括时序逻辑、DSP及其固化算法等)和保护电路的高密度功率集成发展,以实现功能更强的智能控制能力。
3)功率系统集成
功率系统集成技术在向低功耗高密度功率集成技术发展的同时,也逐渐进入传统SoC和CPU、DSP等领域。目前,SoC的低功耗问题已经成为制约其发展的瓶颈,研发新的功率集成技术是解决系统低功耗的重要途径,同时,随着线宽的进一步缩小,内核电压降低,对电源系统提出了更高要求。为了在标准CMOS工艺下实现包括功率管理的低功耗SoC,功率管理单元需要借助数字辅助的手段,即数字辅助功率集成技术(Digitally Assisted Power Integration,DAPI)。DAPI技术是近几年数字辅助模拟设计在功率集成方面的深化与应用,即采用更多数字的手段,辅助常规的模拟范畴的集成电路在更小线宽的先进工艺线上得到更好性能的电路。
4我国功率半导体发展现状、
问题及发展建议
在中国半导体行业中,功率半导体器件的作用长期以来都没有引起人们足够的重视,发展速度滞后于大规模集成电路。国内功率半导体器件厂商的主要产品还是以硅基二极管、三极管和晶闸管为主,目前国际功率半导体器件的主流产品功率MOS器件只是近年才有所涉及,且最先进的超结低功耗功率MOS尚无法生产,另一主流产品IGBT尚处于研发阶段。宽禁带半导体器件主要以微波功率器件(SiC MESFET和GaN HEMT)为主,尚未有针对市场应用的宽禁带半导体功率器件(电力电子器件)的产品研发。目前市场热点的高压BCD集成技术虽然引起了从功率半导体器件IDM厂家到集成电路代工厂的高度关注,但目前尚未有成熟稳定的高压BCD工艺平台可供高性能智能功率集成电路的批量生产。
由于高性能功率半导体器件技术含量高,制造难度大,目前国内生产技术与国外先进水平存在较大差距,很多中高端功率半导体器件必须依赖进口。技术差距主要表现在:(1)产品落后。国外以功率MOS为代表的新型功率半导体器件已经占据主要市场,而国内功率器件生产还以传统双极器件为主,功率MOS以平面工艺的VDMOS为主,缺乏高元胞密度、低功耗、高器件优值的功率MOS器件产品,国际上热门的以超结(Super junction)为基础的低功耗MOS器件国内尚处于研发阶段;IGBT只能研发基于穿通型PT工艺的600V产品或者NPT型1200V低端产品,远远落后于国际水平。(2)工艺技术水平较低。功率半导体分立器件的生产,国内大部分厂商仍采用IDM方式,采用自身微米级工艺线,主流技术水平和国际水平相差至少2代以上,产品以中低端为主。但近年来随着集成电路的迅速发展,国内半导体工艺条件已大大改善,已拥有进行一些高端产品如槽栅功率MOS、IGBT甚至超结器件的生产能力。(3)高端人才资源匮乏,尤其是高端设计人才和工艺开发人才非常缺乏。现有研发人员的设计水平有待提高,特别是具有国际化视野的高端设计人才非常缺乏。(4)国内市场前十大厂商中无一本土厂商,半导体功率器件产业仍处在国际产业链分工的中低端,对于附加值高的产品如IGBT、AC-DC功率集成电路,现阶段国内仅有封装能力,不但附加值极低,还形成了持续的技术依赖。
笔者认为,功率半导体是最适合中国发展的半导体产业,相对于超大规模集成电路而言,其资金投入较低,产品周期较长,市场关联度更高,且还没有形成如英特尔和三星那样的垄断企业。但中国功率半导体的发展必须改变目前封装强于芯片、芯片强于设计的局面,应大力发展设计技术,以市场带动设计、以设计促进芯片,以芯片壮大产业。
功率半导体芯片不同于以数字集成电路为基础的超大规模集成电路,功率半导体芯片属于模拟器件的范畴。功率器件和功率集成电路的设计与工艺制造密切相关,因此国际上著名的功率器件和功率集成电路提供商均属于IDM企业。但随着代工线的迅速发展,国内如华虹NEC、成芯8英寸线、无锡华润上华6英寸线均提供功率半导体器件的代工服务,并正积极开发高压功率集成电路制造平台。功率半导体生产企业也应借鉴集成电路设计公司的成功经验,成立独立的功率半导体器件设计公司,充分利用代工线先进的制造手段,依托自身的销售网络,生产高附加值的高端功率半导体器件产品。
设计弱于芯片的局面起源于设计力量的薄弱。虽然国内一些功率半导体生产企业新近建设了6英寸功率半导体器件生产线,但生产能力还远未达到设计要求。笔者认为其中的关键是技术人员特别是具有国际视野和丰富生产经验的高级人才的不足。企业应加强技术人才的培养与引进,积极开展产学研协作,以雄厚的技术实力支撑企业的发展。
我国功率半导体行业的发展最终还应依靠功率半导体IDM企业,在目前自身生产条件落后于国际先进水平的状况下,IDM企业不能局限于自身产品线的生产能力,应充分依托国内功率半导体器件庞大的市场空间,用技术去开拓市场,逐渐从替代产品向产品创新、牵引整机发展转变;大力发展设计能力,一方面依靠自身工艺线进行生产,加强技术改造和具有自身工艺特色的产品创新,另一方面借用先进代工线的生产能力,壮大自身产品线,加速企业发展。
5结束语
总之,功率半导体技术自新型功率MOS器件问世以来得到长足进展,已深入到工业生产与人民生活的各个方面。与国外相比,我国在功率半导体技术方面的研究存在着一定差距,但同时日益走向成熟。总体而言,功率半导体的趋势正朝着提高效率、多功能、集成化以及智能化、系统化方向发展;伴随制造技术已进入深亚微米时代,新结构、新工艺硅基功率器件正不断出现并逼近硅材料的理论极限,以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体器件也正不断走向成熟。
我国拥有国际上最大的功率半导体市场,拥有迅速发展的半导体代工线,拥有国际上最大规模的人才培养能力,但中国功率半导体的发展必须改变目前封装强于芯片、芯片强于设计的局面。功率半导体行业应加强技术力量的引进和培养,大力发展设计技术,以市场带动设计、以设计促进芯片,以芯片壮大产业。
作者简介
半导体技术范文第8篇
[关键词]功率半导体器件；高压直流输电；电力电子技术
中图分类号：TM72 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）17-0241-01
1 引言
功率半导体器件是用于电力设备的电能变换和控制电路方面的大功率电子器件。广泛应用于涉及电力系统的各个方面，涉及发电、输电、配电和用电的各个领域。
高电压、大容量的功率半导体器件的迅速发展，促使高压直流输电技术发生了重大变革，使得高压直流输电系统迅速发展。同时，随着高压直流输电系统的电压等级不断提高，使得各部分装置所承受的电压不断提高，对功率半导体器件的性能提出了更高的要求。本文从功率半导体器件在HVDC中的应用领域和对HVDC发展的影响两方面进行了阐述，从辨证的角度分析二者的关系，对功率器件的发展方向进行了展望。
2 功率半导体器件的发展状况
20世纪80年代中期，4.5kV的GTO得到广泛应用，并成为在接下来的十年内大功率变流器的首选器件，一直到IGBT的阻断电压达到3.3kV之后，才开始改变GTO独占市场的局面。至2005年，以晶闸管为代表的半控型器件已达到7×107W/9000V的水平，全控器件也发展到了十分高的水平。当前，功率半导体器件的水平基本稳定在109～1010WHz左右，已逼近了由于寄生二极管制约而能达到的材料极限。
高品质电能变换所内涵的高耐压、高速、高电流密度、高集成度和低导通电阻等给人们提出不少科学与技术问题，并不断推动着功率半导体的发展。为了使功率半导体器件适应便携式、绿色电源、节能减排的发展需要，功率器件正不断采用新技术，不断改进材料性能或开发新的应用材料、继续优化完善结构设计、制造工艺和封装技术等，提高器件功率集成密度，减少功率损耗。
2.2 功率半导体器件未来发展方向
现代大功率半导体器件正朝以下几个方向发展：[1]
（1）大电流、高耐压：现代电力电子器件正向大电流高压方向发展，以适应高压领域对电力电子器件快速需求的趋势，尤其在高压直流输电、高压电力无功补偿、高压电机、变频器等领域。
（2）高频化：从高压大电流的GTO到高频多功能的IGBT、MOSFET，其频率已从数千HZ到几十KHZ、MHZ。这标志着电力电子技术已进入高频化时代。
（3）集成化、智能化：几乎所有全控型器件都由许多的单元胞管子并联而成（IGBT、GTO）。
功率半导体器件的发展日新月异，HVDC 技术正在不断的进步和成熟，输电容量和电压等级逐渐提高，使其在输电系统中越来越具有竞争力。随着西电东送和全国联网的不断发展，电能质量和电网运行的灵活性和可靠性的要求越来越高，HVDC技术必将得到越来越广泛的应用。为了满足我国轨道交通、智能电网、新能源等国民经济发展重要领域对高压大电流晶闸管、高压大功率IGBT、IGCT等功率半导体器件的强大需求，提升国家电力电子产业的技术水平，2007年南车时代电气投资3.5亿，启动了大尺寸功率半导体器件研发及产业化基地建设。该线采用了世界顶尖级的工艺和测试设备，主要生产6英寸、5英寸高压大电流晶闸管和整流管，满足高压/特高压直流输电项目的需要。
2 功率半导体器件在HVDC中的应用
HVDC在电力系统的应用中，存在着一些固有的缺陷，如不能向无源系统供电、易发生换相失败、需要配置专门的滤波装置、设备投资高、占地面积大等[4]，这些问题一直限制着HVDC的发展。20世纪90年代以后，随着电力电子技术的发展，特别是具有可关断能力的新型半导体器件的出现，促进HVDC技术产生了重大变革。
功率半导体器件的发展促使高压直流输电技术不断进步，根据功率半导体器件的更新可将HVDC技术的不同发展阶段进行划分。HVDC发展的第一个25年，由汞弧阀换流技术支撑，到70年代中期为止；第二个25年到2000年为止，这个时期HVDC技术是由基于晶闸管阀的电网换相换流技术支撑；可以预计，在接下来的25年里，强迫换相换流器技术将占主导地位。随着大功率开关器件成本的不断降低，电容换相换流器将会被自换相换流器所取代。
2.1 功率器件的在换流器中的应用
HVDC系统的主要设备包括换流装置、换流变压器、平波电抗器、滤波器、电线路、接地极、无功补偿装置、控制保护系统。其中换流装置、换流变压器、有源滤波器、无功补偿装置、控制保护系统等都是以功率半导体器件为基础。早期的大功率换流器，几乎都是基于晶闸管的。换流器可以将电能进行交-直、直-交转换，分为两种基本结构类型：电流源型换流器CSC和电压源型换流器VSC。
2.3 轻型直流输电技术
随着大功率GTO和IGBT开关的商业化，在过去的10年里，VSC的应用范围也不断扩大。采用大功率IGBT开关，VSC的额定值在双极性结构下可以达到约±150kV、3000MW，且VSC可以与弱交流系统甚至无源网络连接。HVDC light采用基于脉宽调制技术的控制方法，能灵活独立的控制有功和无功功率，并能限制低次谐波，使滤波系统简化，保证高水平的电能质量，同时使换流站更加紧凑，投资减少。但是，需要看到技术的更新不可能十全十美，必然伴随着新问题。
功率半导体器件的使用必然会带来谐波问题，而且IGBT硅的有效面积利用率低、损坏后会造成开路等缺点局限了其在高压直流输电系统中的应用。
与其它应用领域相比，HVDC技术随着其电压等级的不断提高对功率半导体器件的性能提出了更高的要求，如大容量、高耐压、高可靠性、低损耗等。使得功率半导体器件不得不采用器件串、并联技术和复杂的电路拓扑来达到实际应用的要求，导致装置的故障率和成本大大增加。可以看出一方面功率半导体器件促进了HVDC技术的发展，另一方面HVDC系统的正常运行与功率半导体器件的某些特性密切相关。对于高输入电压器件的研制，国内外许多器件工艺厂商都投入了大量的人力物力，控制技术领域也在研究对单个器件进行串并联或进行模块化。虽然这两种方法可以大幅度提高功率半导体器件的耐压、容量等性能，但综合结果并不尽如人意，仍需要研究人员继续努力。
3 总结
功率半导体器件的发展促进了高压直流输电技术的发生了重大变革，同时随着高压直流系统电源等级的不断提高也对功率半导体器件的性能提出了更高的要求，指引功率半导体器件向着高耐压、大电流、大容量、低损耗的方向发展。功率器件在不断改进的过程中出现了许多新问题，这将是未来功率器件发展面临的挑战。随着科技的不断进步这些问题将会得到解决，这样会进一步促进高压直流输电技术的进步。
参考文献
[1] 袁立强，赵争鸣，宋高升，王正元.电力半导体器件原理与应用[M].机械工业出版社，2011.
[2] 钱照明，盛况.大功率半导体器件的发展与展望[J].大功率变流技术，2010，1：1～9.
[3] 孙伟锋，张波，肖胜安，苏巍，成建兵.功率半导体器件与功率集成技术的发展现状及展望.中国科学：信息科学，2012，42（12）：1616～1630.
[4] 韩民晓.高压直流输电原理与运行[M].电力电子新技术系列图书出版社，2009.
[5] 盛况，郭清，张军明，钱照明.碳化硅电力电子器件在电力系统的应用展望[J].中国电机工程学报，2012，32（32）：1～ 8.
半导体技术范文第9篇
关键字：“大功率”；“半导体激光器”；“列阵”；“激光”；“芯片”
1 管芯（bar）封装
在半导体激光器列阵的封装过程中，管芯封装管芯封装的好坏直接关系到管芯的导电、导热、焊接强度等。这个封装过程对半导体激光器列阵寿命和可靠性有巨大影响。在封装过程中，焊料与其它金属层生成的金属间化合物、焊料烧结过程中产生的空洞等对焊料性能有很大影响，焊料是管芯的导电导热通道，焊料性能的好坏直接影响到管芯的工作，影响半导体激光器列阵的寿命和可靠性。
在半导体激光器列阵的制作过程中，管芯上要制作Ti/Pt/Au、Au/Ge/Ni等欧姆接触层，无氧铜上要镀Ni和Au。金属之间会生成复杂的金属间化合物（IMC），对bar的封装有较大影响。半导体激光器列阵在工作时，热沉提供良好的散热条件。但大功率半导体激光器列阵产生的热量很大，管芯温度仍然很高。这种情况下合金焊料各成分之间、焊料和芯片上的金属层之间存在扩散现象，产生IMC，由于IMC在列阵存放和工作时的过度生长和热疲劳，会对焊料结的可靠性产生不利的影响。由于IMC易碎的特性会使焊料焊接处机械强度变弱或导致界面的分层。它们对激光器的寿命和可靠性会产生影响。
2 焊料空洞
半导体激光器列阵的封装中，用于管芯（bar）焊接的焊料的选取与制备过程是极其关键的问题。因为焊料直接和管芯接触，是管芯和热沉之间的导电和导热通道。半导体激光器列阵工作时电流可高达100A。这些电流通过焊料流入管芯，而通过的横截面只有1mm×10mm。焊料要承受很高的电流密度，要求焊料有好的导电性、抗电迁移性。半导体激光器列阵热能散出的通道也是焊料，所以焊料要有良好的导热性和抗热迁移性。热量不能及时地传导出去，就会积聚在焊料附近，产生大的温度梯度而发生热迁移，在焊料中产生空洞，严重影响了焊料的导热性和导电性，使列阵管芯温度升高。如果使用低温焊料，热量过多地聚集在焊料上会导致焊料熔化，使管芯脱离热沉而损毁激光器。所以，焊料要有好的导电性、导热性、抗电迁移、抗热迁移能力，在焊料制备过程中要尽量减少空洞和裂隙的产生，空洞和裂隙会影响管芯焊接强度，影响焊料的导电导热。
焊料在烧结过程中产生的空洞对列阵的寿命和可靠性有很大影响。空洞影响焊料的导电性和导热性，热量会在空洞附近聚集，影响列阵的散热，使管芯的温度升高。在烧结的过程中，当焊料变成液体时，这些物质就会在焊料表面形成一层固体膜，会阻止焊料和管芯的键合。所以，在大功率半导体激光器列阵封装过程中，研究空洞和列阵寿命及可靠性的关系是一项有意义的工作。
3 半导体激光器的封装
在半导体激光器列阵的封装过程中，bar的封装是最关键的封装步骤，bar封装的好坏关系到整个封装的成败。bar的封装质量直接关系到列阵的寿命。在这个过程中，封装直接影响bar的散热、导电、焊接强度等。焊料的选择、制作过程、封装过程都是值得研究的问题。在半导体激光器列阵的封装中，用于封装的焊料与管芯、热沉会生成复杂的IMC。金锡焊料各成分之间也会生成IMC。在封装过程中形成的IMC及焊料本身的一些其它问题，会在焊料中产生空洞和裂隙。
研究bar封装时焊料中空洞和裂隙的形成原因与发展变化过程，研究焊料中的空洞与列阵寿命和可靠性的关系。观察空洞的发展变化情况，分析空洞周围成分与其它部位成分的差异，研究空洞的成因。通过对空洞引起的电流大小及分布的变化、导热性、浸润性、焊接强度的变化等的分析，研究空洞对焊料性能的影响。寻找合适的方法抑制空洞和裂隙的形成，减少对列阵的危害，提高列阵的可靠性。
4 结束语
在科学技术高速发展的今天，研究大功率半导体阵列封装技术具有切实可行的意义。大功率半导体激光器列阵可直接用于军事领域，如激光引信、激光测距、激光通信、激光照明等。大功率半导体激光器列阵可以取代传统的加工手段，直接应用于材料的微区热处理、精密焊接。大功率半导体激光器列阵在高速印刷领域可以取代传统的卤素灯光源，寿命会更高、可靠性更好，并且有利于环境保护和适用于现代的高分辨率图像的印刷。
⒖嘉南
1. Goran S. Matijasevic， Chen Y. Wang， Chin C. Lee.Void free bonding of large silicon dice using gold-tin alloys.IEEE Transactions on Components and Manufacturing Technology， 1990，32（4），1128-1134.
2.Lakhi Goenka and Achyuta Achari. Void formation in flip-chip solder bumps-partⅠ. IEEE/CPMT Intl Electronics Manufacturing Technology Symposium ，1995，14-19.
3.王铁兵，施建中，谢晓明. Au/In等温凝固焊接失效模式研究. 功能材料与器件学报， 2001，7（1）， 85-89.
4.Zirong Tang， Frank G.Shi. Effects of preexisting voids on electromigration failure of flip chip solder bumps.Microelectronics Journal 32， 2001，605-613.
5.刘恩科，朱秉生，罗晋生，半导体物理学，北京，电子工业出版社，2008
作者简介
徐萌萌（1997-），女，汉族，郑州大学物理工程学院电子科学与技术2014级学生。
半导体技术范文第10篇
一、汽车电子领域的半导体技术
大部分的汽车电子产品都具有ECU，并且以其为核心，处理传感器等的输入信息，驱动马达等的驱动器，并以车内LAN网络(Local AreaNetwork)实施Ecu彼此之间的通信。Ecu配备有通信电路，以当作维持与传感器、处理开关输入的输入处理回路、AD(模拟与数字)变换回路、微控制器、电源、输出处理回路、电源部件以及其他ECU的通信手段，而组成的零件几乎都是半导体。图1为ECU方块图。
汽车对环境性能、安全性与舒适性的要求越来越高，为了实现这些要求，未来汽车电子的搭载数量将会越来越多。最近在车载传感器方面，出现了使用MEMS技术的压力传感器以及加速度传感器等各种传感器，另外信号处理以及输出处理回路等也都使用了半导体。此外，在驱动器方面，比如搭载信号处理、输出处理回路、负荷驱动回路等的智能型驱动器也正式实用化。
二、车用半导体必备的特征
汽车使用地点五花八门，包括热带、沙漠、寒冷地区等，必须具有可以抗温度、湿度、水、盐害、耐震的性能，使用的环境十分严酷。因为引擎在室内有些地方最高温度会达到1 50℃，而最低温度可能降至零下40℃，ECU必须在这些状况下仍然可以动作。此外，直接搭载在引擎上的ECU必须对抗30G的震动。因此，须具有可以对抗电压变动、突波电压(瞬间流入电路的大型电压)、EMG(Electro MagneticCompatibility)等电气外部干扰的性能。
如图2所示，使用稳压积纳二极管保护ECU的半导体，以免因为负载突降等引发的高电压造成损害，即便如此，还仍是会施加35V的电压。也有可能会因为静电现象而施加突波电压。
智能型驱动器使用的半导体如图3所示，可以使用芯片电容器降低静电突波。此外，有些安装地点会让半导体暴露在高温下。
半导体的基本特性，如同表1所示会受到温度的影响。如果是高温环境，PN接合的顺方向电压下降，逆方向漏电流则增加。温度若是高温，二极半导体的电流增幅率以及MOSFET的临界值也会增加。使用时必须考虑这些温度带来的影响。
汽车使用的半导体必须具有以下特征。
1.不会老化，可长时间使用。
2.体积小，使用容易。
3.可以复合其他不同功能的部件。
4.高精度。
5.抗噪音性。
6.驱动使用的能源少。
7.具有自我诊断功能。
8.成本低。
车用半导体采用了各种不同的控制系统。在ECU以及智能型驱动器中，使用了混载数字回路、模拟回路以及负载驱动电路的复合IC、微控制器以及分离式部件等。汽车传感器则针对行驶、转弯、停止、安全、舒适、环境、信息、通信的用途，搭载了可以侦测温度、压力、加速度、位置、角度、回转、流量等的传感器，并透过使用硅材料的MEMS技术极度缩小体积。
车用半导体，比起民生用半导体必须具有更高水平的质量。比如说，在质量持久方面，温度循环(40℃～+150℃，2000次循环)，抗湿负载(85℃，湿度80％～85％，2000小时)，抗高温负载(150℃，2000小时)等。这些特性比起民生用半导体要求的温度循环(-25℃～+85℃，数百次次循环)，抗湿负载(40~C，湿度90％～95％，500小时)，抗高温负载(85℃，1000小时)而言，要求程度严格许多。