第一情报 ---装备制造业

美国能源部“宽禁带半导体——追求承诺”编译

供稿人:董瑞青  供稿时间:2013-7-22   关键字:美国  宽禁带半导体  
2013年5月9日,美国奥巴马政府宣布成立三个新的国家制造业创新学院,这主要包括美国国防部领导的“数字化制造和设计创新”(DMDI)学院、“轻量制造和现代金属制造创新”(LM3I)学院及能源部领导的“清洁能源制造创新学院”(Clean Energy Manufacturing Innovation Institute)。由于美国能源部还没有对“清洁能源制造创新学院”建立的必要性、组织和管理方式等作出明确的阐述,我们在此不对该创新学院做分析。虽然,美国能源部对“清洁能源制造创新学院”并没有明确叙述,但美国能源部网站显示,该学院将重点聚焦“宽禁带(WBG)半导体电力电子器件”技术的研究和发展。这种基础性技术广泛应用于多个行业和市场,具备变革性技术突破的潜力,并将对经济发展产生深刻影响。通过使用更少的电力,这些高效可靠的宽禁带半导体材料可以生产成本更低、性能更好的电子产品,以满足未来的电力需求。宽禁带半导体正准备革命新一代的电力电子技术和清洁能源创新。充分利用这一创新技术的先进制造工艺将给美国制造商在不断增长的全球市场中占据竞争优势。基于此,为全面深入了解宽禁带半导体材料,我们对美国能源部能源效率与可再生能源办公室(EERE)2013年4月发布的“宽禁带半导体——追求承诺”(Wide Bandgap Semiconductors:Pursuing the Promise)做了全文翻译和整理,以求为推动我国宽禁带半导体技术发展提供有效支持。
一、宽禁带半导体材料概述
根据半导体材料禁带宽度的不同,可分为宽禁带半导体材料与窄禁带半导体材料。如果禁带宽度Eg<2ev(电子伏特),则称为窄禁带半导体,如锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)以及磷化铟(InP)等;如果禁带宽度Eg>2.0-6.0ev,则称为宽禁带半导体,如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、4H碳化硅(4H-SiC)、6H碳化硅(6H-SiC)、氮化铝(AlN)及氮化镓铝(AlGaN)等(见表1)。宽禁带半导体材料被称为第三代半导体材料。与第一代、第二代半导体材料相比,宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点,非常适合于制造抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件,而利用其特有的禁带宽度,还可以制作蓝、绿和紫外光器件和光探测器件。
 
表1  各类半导体材料的带隙能比较
各类半导体材料
材料
化学符号
带隙能(eV)
Ge
0.7
Si
1.1
砷化镓
GaAs
1.4
碳化硅
SiC
3.3
氧化锌
ZnO
3.4
氮化镓
GaN
3.4
金刚石
C
5.5
资料来源:《Wide Bandgap Semiconductors:Pursuing the Promise》。
 
与以硅材料为基础的窄禁带半导体材料相比,宽禁带(WBG)半导体材料使得电力电子元件更小、更快、更可靠、更高效。在一个很宽的功率应用范围内,这些功能可以减少电力电子元件的重量、体积以及生命周期成本。在工业生产和消费电子等领域,使用宽禁带半导体材料,可以显著节约能源,加快电动汽车和燃料电池的广泛使用,帮助可再生能源整合到电网。宽禁带(WBG)半导体允许设备在更高的温度、电压和频率下工作。与传统的半导体材料相比,使用宽禁带半导体材料的电力电子模块功能更强大、更高效节能。
 
在可见光颜色范围内,宽禁带半导体材料也能发光,其光学性能主要应用于固态照明应用领域。如,超高效率的发光二级管(LED)所使用的氮化镓(GaN)材料就是一个典型的例子。宽禁带半导体的发展将为电力电子、固态照明及其他多个贯穿工业和清洁能源领域的应用激动人心的创新铺平了道路。实现宽禁带半导体的节能潜力将需要尖端的制造工艺。该种工艺可以生产价格低廉的高质量的宽禁带半导体材料、设备和模块。这一创新技术的投资将帮助美国产业保持竞争优势。
二、宽禁带半导体材料的性能优势
与目前的技术相比,宽禁带(WBG)半导体材料的使用有可能使尖端的电子和光学设备性能大大提升。我们分领域(电子设备、光学设备)列出了使用宽禁带半导体材料的相关益处。
 
1.电子设备(Electronic Devices
一是降低能量损失:在直流电到交流电及交流电到直流电转换过程中,消除了90%的功率损耗。
二是高电压操作:手柄电压比硅(Si)基器件高出10倍以上,大大增强了电子设备在高功率应用中的性能。
三是高温度操作:电子设备的工作温度可以高于300℃(是硅基器件的最高温度2倍)。这种对于更高温度的适应性使得电子设备整体系统可靠性更高,并使更小、更轻的系统在生命周期内能源使用减少。
四是更高的频率:工作频率比硅基器件至少高10倍,使更紧凑、成本更低产品的设计制造和应用成为可能,如射频(RF)放大器等。
五是改善功率质量:确保电子设备操作中,功率更可靠、更稳定。
 
2.光学设备(Optical Devices
一是更高的照明效率:基于宽禁带半导体材料的发光二级管(LED)可比目前的白炽灯每瓦产生超过10倍以上的光输入能量,使用寿命延长30倍或以上。
三、宽禁带半导体材料的应用领域
随着制造能力的提高和市场应用的扩大,成本有望降低,使得基于宽禁带半导体材料的设备竞争力日益提高。那么,宽禁带半导体材料的具体应用领域包括哪些呢?基于上述考虑,我们对该类材料的具体应用领域做了详细阐述和分析。
 
一是工业电机:宽禁带半导体材料将使得泵、风机、压缩机及空调系统所使用的各类驱动电机变得更加高效、节能。在美国制造业,电机系统使用了69%的电力消耗。
 
二是电子电器:宽禁带半导体材料已经被大型、高效的数据中心所使用,并作为消费类电子产品紧凑型电源而展示出来。
 
三是电网集成:基于宽禁带半导体材料的逆变器可以把从太阳能和风能产生的直流电力转换成在家庭和企业使用的交流电力,并同时减少50%的能量损耗。
 
四是实用应用:宽禁带半导体材料基于多重因素可以减少变压器尺寸。基于宽禁带的电力电子技术还可以加速高压直流输电线路的发展,这会比现有交流输电线路更有效地运作。
 
五是电动汽车和插电式混合动力汽车:宽禁带半导体材料在车辆电池充电过程中,预计将减少66%的电力损失。它们同样也在电动汽车运行中交流电转换为直流电源时提供了更高的效率。这些电子产品可以承受较高的工作温度,从而减少汽车冷却系统的规模达到60%,甚至消除了二次液体冷却系统。
 
六是军事:宽禁带半导体材料在高密度电源应用、卫星通信以及高频率和高功率雷达等方面有很大的应用潜力。
 
七是地热:基于宽禁带半导体材料的电子传感器可以承受地热井的恶劣、高压力及高温环境。
 
八是照明:按照今天的能源价格,到2030年,LED照明预计可节省250亿美元的能源成本。
四、宽禁带半导体材料发展面临的挑战
虽然,目前宽禁带半导体材料和设备发展迅速并得到公众认可。然而,一些制造方面的挑战,必须加以解决,以使宽禁带半导体材料成本在更多的应用领域有效。
 
一是基片的尺寸和成本:尽管目前碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)晶圆的质量有所改善,但大直径晶片的制造成本亟需降低。
 
二是设备设计和成本:有效利用宽禁带半导体材料的新型设备在某些应用中需要达到一定的电压和电流额定值。在宽禁带设备中,替代包装材料也同样需要承受高温。改善宽禁带半导体材料的可制造性和可负担性的架构,都需要其商品化的推动。
 
三是系统集成:宽禁带设备并不总是合适的硅基器件替代品。更大、更复杂的系统必须重新设计以整合宽禁带设备独特的功能。
五、宽禁带半导体材料广泛的经济影响
宽禁带半导体是一项基础性技术,有望改变多个产业和市场。从家用电器、消费品到军事系统、车辆及采用可再生能源的现代化电网,低成本、高性能的电力电子有望成为不可分割的一部分。到2020年,仅在全球照明市场,宽禁带半导体材料的市场份额有望达到840亿美元。到2020年,仅在四个细分行业(建筑和工业,电子和信息技术,可再生能源和电能储存,运输),氮化镓和碳化硅将占据全球分立功率电子元件市场的22%,约为33亿美元。设计和制造基于宽禁带半导体材料的设备将为美国国内材料制造技术发展奠定坚实的基础,并确保美国制造商在全球主要市场中占据竞争优势。这些宽禁带设备的广泛使用,将为美国企业和消费者节省数十亿美元的能源成本。
 
参考资料:
U.S. Department of Energy Energy Efficiency & Renewable Energy “Wide Bandgap Semiconductors:Pursuing the Promise”.

万方数字化期刊中相关文章
射频集成电路产业的创新与市场——专访美国派更半导体亚太区总经理黄维旭博士
作者:丁立勇|
刊名:中国集成电路
年:2007
卷:16
期:3
摘要:
美国游艇市场与中国游艇产业
作者:王晓|
刊名:中国水运
年:2005
卷:
期:11
摘要:
美国游艇业的发展及其借鉴意义
作者:王晓|冯学钢|
刊名:上海造船
年:2005
卷:
期:02
摘要:美国是世界上游艇业最发达的国家.本文系统地分析了美国游艇业的发展历程、发展现状和动力机制,在结合中国游艇业现状的基础上,阐述了美国游艇业的发展对中国的借鉴意义.
美国新能源"航母法"启示下的中国能源政策之路
作者:林晶|
刊名:山西财经大学学报
年:2007
卷:29
期:z1
摘要:2005年美国的综合能源政策法出台,为美国在今后20年间的能源发展指明方向.本文分析了美国新能源法的亮点与争议,优点与不足.在审视中国与美国能源问题的相似及差异的背景情况下,比较研究了中国下一步能源立法中应当汲取或注意的经验.
美国对转基因食品安全的管制及立法
作者:许鹏元|
刊名:东方企业文化
年:2007
卷:
期:9
摘要:

注册成为正式用户,登陆后,获得更多阅读功能与服务!
转载本文需经本平台书面授权,并注明出处:上海情报服务平台www.istis.sh.cn
了解更多信息,请联系我们

§ 请为这篇文章打分(5分为最好)