#高功率電源設計 #電源管理 #氮化鎵GaN
【不可不知的材料界新星:氮化鎵】
「氮化鎵」(GaN) 可望逐漸成為「高功率模組」的首選;未來更將擴及低電壓應用,如:高端音訊放大器、無人機、電動車、照明、運算、太陽能板、汽車影像技術,以及任何能接上插座的電器裝置。GaN 是一種由「鎵」和「氮」兩種元素合成的超高速半導體材料,近年來成為學術界和產業界共同關注和著力研發的熱點,矽基 GaN 功率器件更被視作聖杯。與傳統矽元件相較,GaN 在物理特性上具有明顯優勢:
1. 轉換效率高:GaN 的禁帶寬度是矽的 3 倍、臨界擊穿電場是矽 10 倍,意謂在同樣額定電壓下,GaN 的導通電阻約比矽元件低 1,000 倍,大幅降低開關的導通損耗、使功率密度倍增;
2. 工作頻率高:GaN 的電子渡越時間比矽低 10倍,電子速度比在矽中高兩倍以上、反向恢復時間基本可以忽略,因此 GaN 開關功率器件的工作頻率是矽的 20 倍以上!大幅減少電路中電容、電感等儲能元件的體積、模組尺寸可縮小 50%,連帶減少設備體積和原材料消耗,而開關頻率高可減少開關損耗,進一步降低總功耗;
3. 耐受溫度高:GaN 的禁帶寬度高達 3.4eV,本徵電子濃度極低,電子很難被激發,理論上 GaN 可耐受 800℃ 以上的高溫。
為降低 GaN 元件成本,業界設法從製程尋求變通:透過外延技術在更大尺寸的矽基取得 GaN 外延片。如此便可使用成熟的矽製程和設備大量生產,再將矽基 GaN 與光電元件、數控電路整合,集成直接面向終端應用的功能性模組。GaN-on-Si 晶圓仍有三大技術瓶頸待克服:一是失配問題,矽基與 GaN 之間存在晶格常數、熱膨脹係數和晶體結構不匹配;二是極性迥異,由於矽原子間形成的是「純共價鍵」,屬非極性半導體,而 GaN 原子間卻是極性鍵、屬極性半導體;三是矽基上的矽原子擴散,會降低外延層的晶體品質。
或許能以「增壓引擎」來比喻 GaN,只要搭配適合的驅動程式、封裝與其他元件,確實能提升伺服器和資料中心的系統效能;且可避免電子裝置或設備「散熱不佳」,拖累系統運作。當連網已成為日常生活的一部分,人們對高耗電的數位裝置,以及電力和發電廠的依賴也隨之激增;藉由 GaN 改善電路效率,既環保又節能。此外,小自手機,大至高端工業機具和伺服器,各種系統的電路皆需切換數百萬計的小型開關;每一次動作,都會產生熱能、減損供電效率。GaN 可減少生熱,讓開發者能在更小的電路板空間、納入更多的開關設計。
延伸閱讀:
《TI:製程、封裝相助集成,氮化鎵伺機而起》
http://compotechasia.com/a/____/2016/0706/32426.html
(點擊內文標題即可閱讀全文)
#德州儀器TI #http://compotechasia.com/microsite/view.php?aid=32761
[本文將於發佈次日下午轉載至 LinkedIn、Twitter 和 Google+ 公司官方專頁,歡迎關注]:
https://www.linkedin.com/company/compotechasia
https://twitter.com/lookCOMPOTECH
https://goo.gl/YU0rHY
擴散係數半導體 在 國立陽明交通大學電子工程學系及電子研究所 Facebook 的精選貼文
交通大學材料系特聘教授暨奈米學士班主任陳智以及交通大學電子系教授暨國際半導體產業學院副院長陳冠能團隊,與美國UCLA杜經寧院士合作,在微電子封裝業的研究有重大突破。
2015-06-03 交大研發第五代高階電子封裝技術 低溫(150 oC)及低壓下之銅-銅直接接合
交通大學材料系特聘教授暨奈米學士班主任陳智以及交通大學電子系教授暨國際半導體產業學院副院長陳冠能團隊,與美國UCLA杜經寧院士合作,在微電子封裝業的研究有重大突破。團隊利用特殊電鍍技術,發展低溫低壓的銅銅接合技術,若未來進一步提升反應速度與均勻度,將有望取代銲錫,成為繼打線接合、捲帶自動接合、覆晶封裝技術、微凸塊/矽穿孔電鍍後的第五代電子封裝技術。
交通大學材料系特聘教授暨奈米學士班主任陳智表示,2012年團隊利用特殊電鍍技術,製備具有高度(111)優選方向的奈米雙晶銅金屬膜 (當時發表於Science期刊)。因為(111)面為最密堆積平面,其平面上的銅原子擴散速度較快的特性,團隊開始發展低溫低壓的銅銅接合技術,目前已經可以成功在一般真空環境(10-3 torr)下,以低溫(150 oC)低壓(小於1MPa)進行銅-銅接合,接合過程可在60分鐘內完成(如下圖)。此溫度已經遠低於一般無鉛銲錫迴銲的溫度,若將溫度提昇至250 oC,將可在十分鐘內接合完成,此一令人振奮的結果在銅-銅接合發展上,是一重大突破,並已發表於五月出版的科學報導(Scientific Reports)。
研究團隊表示,現今半導體界的發展乃跟隨著摩爾定律的曲線,但預期即將達到微影技術及材料的物理極限,無法再繼續微縮。而三微積體電路(3D IC)技術低耗能及高傳導的優點,被預期能使各大廠繼續維持在摩爾定律上的技術,並且能大幅減少元件尺寸。現今3D IC 技術中,因銲錫具有低熔點及製程簡單的優點,所以自1969年以來被廣泛應用於半導體元件中的接點,但在大家不斷追逐體積縮小的效應下,會造成機械性質較脆、導熱速度慢。因此,使用焊錫接點在3D IC的應用會引發許多可靠度的問題。
銅具有非常好的導電率與導熱係數,但因熔點為1083 oC,要將兩片銅膜直接接合有其難度。過去銅接合的研究指出可在超高真空(10-8 torr)的環境下,將兩片經過氬離子束表面活化且具有高平整度的銅膜,可在室溫且不需施加壓力的情況下做接合。但由於此方法需要超高真空(10-8 torr)的環境,對於業界來說所需耗費的成本過高。此外,也有研究提出可在一般的真空(10-3 torr)環境下,利用300oC的熱壓可接合兩片銅膜,但300oC的溫度對於業界實際應用來說溫度還是過高。除了熱預算對成本及可靠度的影響外,有些應用例如CMOS image sensor,希望其接合溫度能降低到200 oC以下。綜合以上所述,銅直接接合技術要能實際應用在業界,必須符合兩個要求: (1)一般的真空環境下(10-3 torr)、(2)接合溫度需低於300 oC。
交大研究團隊成功研發在一般真空環境(10-3 torr)下,以低溫(150 oC)低壓(小於1MPa)進行銅-銅接合,實為學術與產業界一大突破。更難能可貴的是,此一研究為台灣團隊主導,實驗也都在台灣完成,足以證明交大與台灣的研究水準具世界級競爭力。此技術已經獲得台灣發明專利,並同時申請美國及德國專利。
本研究是台灣團隊主導,研究水準具世界級競爭力
此研究由交通大學材料系陳智教授與電子系陳冠能教授領導,團隊成員包含交通大學材料系博士後研究員劉健民博士、蕭翔耀博士,與博士班學生劉道奇、林漢文、呂佳凌、黃以撒,碩士班學生呂典融,以及加州大學洛杉磯分校,同時也是中研院院士杜經寧教授等人,所有的實驗都在台灣完成。
秘書室
科學新知
http://nctunews.nctu.edu.tw/index.php/component/…/913-150-oc
相關報導
第5代電子封裝技術 交大讓電腦越來越小
http://nctunews.nctu.edu.tw/…/com…/k2/item/912-2015-06-03-50
交大教授新突破 有望成為第5代電子封裝技術
http://nctunews.nctu.edu.tw/…/comp…/k2/item/911-2015-06-03-5
低溫及低壓下直接接合 交大研發第五代高階電子封裝技術
http://nctunews.nctu.edu.tw/…/…/item/910-2015-06-03-10-15-43
擴散係數半導體 在 電子學CH1_半導體特性 - YouTube 的推薦與評價
今對純矽晶體材料均勻參雜磷元素,則此矽 半導體 應屬於哪一類的 半導體 a外質 ... 的終端飽和速度c載子的熱速度d在單位濃度梯度下所產生的載子 擴散 速度7. ... <看更多>