新型器件

国家发改委、工信部在2014年10月印发的《2014~2016年新型显示产业创新发展行动计划》中指出,近三年我国要重点发展低温多晶硅(LTPS)/氧化物(Oxide)液晶显示器(LCD)和有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)技术;同时,在全息、激光、柔性等显示技术,以及新型显示材料领域取得部分技术突破。研究制定新型显示相关标准,将有利于提升显示产品的质量,优化用户体验,有效扩大产品供给能力。

目前新型显示器件领域的主要标准化组织有:国际电工委员会电子显示器件技术委员(IEC/TC110)和全国平板显示器件标准化技术委员会(SAC/TC547)。

2 国际标准化进展

IEC/TC110负责全球电子显示器件技术领域的标准化工作,研究制定各类电子显示器件(包括CRT)及其主要部件的术语和定义、测试方法、试验方法等基础标准,以及总规范、分规范、空白详细规范等产品规范。

IEC/TC110成立于2003年,目前,IEC/TC110已将其工作目标从LCD和PDP相关标准化工作逐渐扩展到OLED、3D显示器件(3DDD)、EPD和柔性显示器件(FDD)。2013年又拓展了新的领域——触摸和互动显示器件(TID)和LDD。

近年来,可穿戴显示器件,如手表类型显示器件、头盔显示器件或近眼显示器件这些新兴产品引起广泛关注。IEC/TC110已经制定了用于手表类型显示器件用的EPD、OLED和其他显示器件的相关试验方法标准,也开始讨论其他相关可穿戴的显示器件,包括头盔显示器件或近眼显示器件的标准研制工作。

IEC/TC110已发布新型显示相关标准共60项,包括立体显示和柔性显示等显示器件的术语和定义、测试方法、试验方法等基础标准,以及总规范、分规范、空白详细规范等产品规范,其中共有11项由我国主导制修订(见表1)。

正在制修订的标准有26项,包括LCD、PDP、OLED、BLU、3D、EPD等显示器件的术语和定义、测试方法、试验方法等基础标准;以及总规范、分规范、空白详细规范等产品规范。其中,IEC 61747-30-5《液晶显示器件第30-5部分:透明显示LCD显示屏光学测试方法》等9项由我国主导制修订(见表2)。

IEC/TC110十分关注新型显示器件的技术发展及市场、应用的动态,2013年成立了战略咨询小组(AGS:AG11),职责是根据市场需求提出TC110标准体系建议、战略计划、工作组结构和新项目等。

IEC/TC110对近期显示市场的未来发展做出以下判断:

(1)在显示技术中,LCD仍占有最大的份额,液晶电视、液晶显示器和笔记本电脑保持稳定增长,平板电脑和智能手机正迅速增加。

(2)OLED是目前第二大技术,其市场也在迅速扩大,尤其在手持移动应用产品方面。

(3)对于已建立的“电子阅读器”市场,电子纸正在改善图像质量和特性,比如内置照明光源。

(4)触控面板技术快速渗透市场,首先是智能手机和平板电脑市场,然后是笔记本电脑。触摸面板全球收入已经超过数百亿美元,且每年以超过10%的速度增长。基于电容的设计是当今的主流触摸屏技术,其敏感度、准确度、报告率以及更大尺寸屏的兼容性、光学特性、可靠性以及功耗都在不断进步。

(5)柔性显示备受关注。用于非平面显示的柔性基片已经被引入市场,其销量增长指日可待,可以任意折叠和弯曲的柔性显示也备受期待,柔性前板、柔性后板、柔性触摸屏以及其他柔性部件已经被研发出来。

(6)随着RGB激光二极管的性能和降低散斑技术的迅速改善,LDD正在渗透到市场,预计在2020年前,LDD是解决宽色域的最佳方案。

因此,IEC/TC110在2016年的战略规划报告中提出IEC/TC110拟在3~5年间开展以下新工作项目:

(1)激光显示:器件寿命、视网膜方向投射的光学特性和图像质量。

(2)触摸和交互:压感触摸、多点触摸、悬浮、弹力回馈、临近、动作识别等测试方法。

(3)显示光源组件:LED光条测试方法、接口规则、前置光源性能及测试等。

(4)近眼显示或头戴显示:测试方法。

(5)适用于显示器件的通用测试方法。

为了加强交流和合作,IEC/TC110与IEC/TC47、TC76、TC77(电磁场兼容性)、TC86/SC86C(纤维光学系统和有源器件)、TC111(电工电子产品和系统的环境标准)、TC119(印刷电子)、CIS/H(无线电服务保护的限制)、CIS/I(信息技术设备,多媒体设备和接收器的电磁场兼容性),ISO/TC159/SC4(人因工效学),CIE,ICDM(SID的显示测量)建立了联系。

3 国内标准化进展

SAC/TC547负责我国平板显示器件标准化的技术归口工作,包括LCD、PDP、OLED、EPD、LED、LDD等各类技术的平面、立体、柔性(曲面)、透明等显示器件、显示屏及背光组件、触控组件等主要部件的标准化工作,对口IEC/TC110。

我国一直重视电子显示器件标准的制定工作,随着显示产业的快速发展,特别是新型显示器件产业已成为我国战略性新兴产业的重要组成部分,这对我国显示行业技术标准的进一步完善提出了更新、更高的要求。SAC/TC547不断完善标准体系,拟制定180余项标准,其技术标准体系框架见图1。

我国新型显示器件领域标准化工作规划是在对国际标准、国内标准进行统筹考虑的基础上制定的,对于术语、测试方法、试验方法等基础标准和总规范等产品规范基本与国际接轨;对于产品性能规范、详细规范则以我国产业需求为导向,制定我国自主创新的标准。因此,我国新型显示器件领域标准既与国际接轨,又同时兼顾了国情。

目前,平板显示领域已制定国家标准27项(其中18项已发布)、电子行业标准38项(其中33项已发布)。这些标准涉及的产品包括液晶、等离子体、有机发光二极管等平面和立体显示器件、液晶显示用背光源和LED显示屏,涵盖了产业相对成熟的新型显示器件。标准类型包括术语定义、额定值和特性等基础标准;光学、光电、图像质量、视觉质量等测试方法标准;机械、环境、电等耐久性试验方法标准、总规范、分规范、空白详细规范、详细规范等产品规范。这些标准的发布实施,对产品的性能和可靠性的提高起到了推动作用,对产品的评价和考核提供了方法和手段。这些标准的分布见表2。

2016年,SAC/TC 547共提出了11项标准立项申请,包括LCD测试方法和试验方法、高分辨率LCD用点对点信号接口、LDD术语和测试方法、触摸和交互显示器件术语和测试方法、LCD用背光组件详细规范等。

4 结语

新型显示市场包含的产品,如笔记本、平板电脑、显示器、电视、移动电话、电子标识、平视式显示、头戴显示或者近眼显示、其他可穿戴显示设备等,都需要标准,如术语和定义、测量方法、详细规范等。我国“十三五”期间的工作重点应在以下三个方面:

●进一步完善标准体系,按产业发展需求和标准体系规划,有计划、有重点地制定相关标准,同时还将随着技术的发展不断开展新型显示器件的标准研究工作。

●重点主要包括:液晶显示、立体显示、柔性显示、激光显示、触摸和交互显示、透明显示及显示用背光组件等。

●进一步深度参与IEC/TC110的标准化工作。主要包括:完成在研国际标准提案3项;在激光显示、透明显示、柔性显示领域提出新提案6项。

摘要：介绍了新型显示器件技术现状及国内外标准化发展趋势,详述了IEC/TC110对目前显示市场发展趋势的六项判断,给出了国内平板显示器件技术标准体系框架及新型显示未来发展规划。

关键词：新型显示,器件,标准化,IEC/TC110,SAC/TC547

新型器件篇2

关键词： LED；SMD；全彩LED显示屏

中图分类号：TN312+.8 文献标识码：B

The Introduction of Outdoor Full Color SMD Display's Application

LI Man-tie

(Ledman Optoelectronic Co., Ltd., Shenzhen 518108, China)

Abstract: This article describes the advantages of outdoor full color SMD display against outdoor full color lamp display and the key parameters of outdoor full color SMD. It's helpful for the comprehension and promotion for outdoor full color SMD display.

Keywords: LED; SMD; full color LED display

引言

LED显示屏以其高亮度、耐候性、大尺寸占据了大尺寸户内、户外显示屏的主流市场，而显像管显示器（CRT）、液晶显示器（LCD）及等离子显示器（PDP）在中小尺寸、户内近距离观看的显示市场上占据主流。

LED显示屏在广告、舞台、公共信息显示、体育交通设施等使用领域获得了大量应用。LED显示屏按使用环境分为户内、户外和半户外LED显示屏；按显示颜色分为单色屏、双色屏和全彩屏；按选用器件分为数码点阵屏、直插式LED屏和贴片式SMD屏。

本文所要叙述的是正在兴起的户外全彩贴片式SMD显示屏及其专用SMD器件性能。

1 户外全彩贴片式SMD显示屏的主要优势

众所周知，户外LED显示屏在一两年前全部使用直插式椭圆形红、绿、蓝LED器件，而这一两年，像素点间距为8～16mm的户外全彩贴片式SMD显示屏正在逐步兴起，并获得了广泛应用。

以前，由于贴片式SMD的亮度偏低，且防水、防潮、防紫外线性能达不到户外恶劣环境的要求，故户外全彩显示屏是直插式LED器件的天下，全彩贴片式SMD显示屏只能大量应用在户内。随着LED芯片技术和LED封装技术的进步，SMD的亮度和防护等级已经能够满足户外应用的需求，并且全彩贴片式SMD显示屏具有更多全彩直插式LED显示屏难以达到的一些优势，故获得了较快速的应用。

户外全彩贴片式SMD显示屏对比户外直插椭圆LED显示屏的优势表现在如下几个方面：

（1）广视角

户外全彩贴片式SMD显示屏不但在水平方向具有110°的广视角，在垂直方向也具有110°广视角，这在一些应用场所特别有优势。

（2）配光好

红、绿、蓝椭圆形LED在不同角度三种亮度的匹配一致性是一项难度很高的指标，而全彩SMD因为设计结构为三合一结构，红、绿、蓝三颗芯片全在一个支架碗杯之中，故在不同角度红、绿、蓝三种亮度的匹配一致性高度一致，从而使得户外全彩贴片式SMD显示屏在任意角度的亮度匹致一致性都很好，达到更好的色彩逼真效果。

图1和图2分别为户外全彩贴片式SMD配光曲线图和户外全彩椭圆LED配光曲线图。通过比较可以看出，SMD的配光一致性相比椭圆LED有明显优势。

（3）混光好

由于设计结构为三合一，三颗芯片距离很近，在同一个支架碗杯中混光，而不是三颗分立的椭圆形LED，故红、绿、蓝混光效果好于直插椭圆LED屏，尤其适合于近距离观看。

（4）高对比度

由于三合一的设计结构，全彩SMD尺寸小，故发光面积小，黑区面积大，提高了LED显示屏的对比度。

（5）自动化生产

贴片式SMD能够使用全自动贴片机进行自动化贴片，生产效率高。全彩贴片式SMD显示屏模块的线路设计能够实现灯板和驱动板二合一，降低了成本，提高了可靠性，提升了生产效率。自动化贴片生产还能提高SMD在线路板上的垂直精度，克服了直插式椭圆LED在线路板上的垂直精度问题，从而保证了更好的光学效果。

2 户外全彩贴片式SMD的主要参数

（1）亮度

目前户外全彩贴片式SMD的亮度已能够满足点间距8～16mm的户外全彩贴片式SMD显示屏的亮度需求，其中绿色亮度能够达到1,200～1,600mcd，整屏亮度能够高于5,000nits。为保证整屏亮度的一致性，每种颜色的亮度范围应在1:1.3以下，并且红、绿、蓝三种颜色的平均亮度比例约为3:6:1。

（2）波长

红、绿、蓝三种颜色的波长范围均不应宽于5nm，且每种颜色的波长分布应呈正态分布。

（3）衰减

户外全彩贴片式SMD由于亮度原因使用电流相对较高，由于在户外使用，为达到最小的衰减，故对芯片尺寸、散热设计、防水、抗紫外线等要求较高。同时，红、绿、蓝三种颜色亮度衰减需有一致性，进而保证SMD显示屏在工作较长时间后不但亮度下降较小，而且亮度及色彩一致性保持良好。品质优异的户外全彩贴片式SMD一般能保证工作3,000小时后红、绿、蓝衰减平均小于5%，且红、绿、蓝衰减离散性低于+10%。

（4）角度

户外全彩贴片式SMD的角度一般要求水平方向和垂直方向均大于110°。

（5）防水和防潮

户外全彩贴片式SMD的防水和防潮性能是非常重要的关键参数。SMD支架材料的选择及结构设计决定了防水和防潮性能，新型PPA材料、硅胶材料的采用及新型结构的设计才能解决防水和防潮问题。防水和防潮问题未能很好地解决，会出现失效、暗亮、快速衰减等问题。品质优异的户外全彩贴片式SMD的防水、防尘等级能达到IP67，防潮等级为Lever3。

（6）防紫外线

由于户外使用，要求全彩贴片式SMD的支架材料和灌封材料具有抵御紫外线的能力。不防紫外线的SMD会出现PPA发黄、灌封材料混浊，从而出现亮度衰减和失效的现象。品质优异的户外全彩贴片式SMD在户外工作10,000小时后的黄变比例应不大于5%。

（7）失效率

户外全彩贴片式SMD由于使用于户外环境，故容易在多项因素的作用下出现失效。品质优异的户外全彩贴片式SMD在3,000小时内的失效率应低于十万分之五（50ppm）。

（8）厚度

户外全彩贴片式SMD显示屏考虑到线路板防水因素，需要在SMD厚度以下进行防水胶的灌封，故全彩贴片式SMD需要一定的高度，目前市面上主流的厚度为2.5mm。

3 户外全彩贴片式SMD显示屏的发展趋势

在亮度、成本上，传统的户外全彩直插式椭圆LED显示屏在20mm及以上像素点间距上具有无可替代的优势。随着LED芯片亮度和LED封装工艺技术的提升，户外全彩贴片式SMD的价格与椭圆LED的差距已缩小至10～20%。户外全彩贴片式SMD显示屏由于具有视角广、配光好、混光佳、对比度高和易于自动化生产的优势，其市场占有率有望从现在的不到10%，发展至与户外全彩直插式椭圆LED显示屏平分天下的局面。

参考文献

[1] 汤顺青. 色度学[M]. 北京理工大学出版社，1990. 6.

[2] 方志烈. 半导体照明技术[M]. 电子工业出版社，2009. 5.

新型功率半导体器件发展之我见篇3

新型功率器件的重要性不只是用途广泛, 还在于它具有显著的节能、节材、环保、促进装备小型化等效益。以新型功率器件为核心的开关电源技术的应用, 已使电子装备的电源效率显著提高、重量和体积明显下降;变频调速技术的应用, 明显降低了各类设备的能耗。新型功率器件还与新能源产业紧密相关:只有经过新型功率器件的转换, 风电、光伏等新能源才能够接入电网。高压直流输电、有轨交通等新兴产业也大量需要新型功率器件。据测算, 若全面推广以新型功率器件为核心的电力电子技术, 全国每年节电相当于30个中型电厂的发电量。

我国的资源相对不足, 目前正在高速发展, 资源过度开采和环境污染将严重影响国家的持续发展。新型功率器件所具有的节能、节材、环保效益, 对落实科学发展观、建立资源节约和环境友好型社会、实现国民经济可持续发展具有重要的促进作用。

但是, 我国新型功率器件还刚刚起步, 大部分产品为中低端产品, 距离国际先进水平还有相当的距离, 远不能满足经济建设的需要。因此, 政府应对该产业给予充分重视, 在政策上积极扶持, 在研发方向上选择重点予以突破, 使我国的功率器件产业早日赶上国际先进水平。

1 产品发展状况及国内外差距

功率器件的发展方向是不断降低自身功耗;即降低通态压降以减小静态功耗, 提高开关速度以减小开关功耗。此外, 高耐压、大电流、高温、小封装、模块化也是各类功率器件发展的共同趋势。新型功率器件的国内外发展状况及趋势如下:

1) MOS场效应晶体管 (MOSFET)

在MOSFET出现之前, 双极型晶体管 (BJT) 是速度最快的功率器件。由于少子储存效应, 其开关时间难以突破1μs, 严重制约了电力电子技术的进一步发展。

MOSFET问世于1979年, 它没有少子注入, 开关时间只有数十纳秒, 从而引发了所谓“20 k Hz革命”, 极大促进了开关电源、变频调速等电力电子技术的发展。除了快速开关之外, MOSFET还具有易驱动、无热奔、安全工作区宽等优点。目前, MOSFET已经在500 V以下应用中取得主导地位, 600 V~1 200 V也有少量应用。

MOSFET的主要发展方向是降低导通电阻。初期的方法是优化掺杂结构、提高元胞密度, 这就使技术不断向精细化发展, 线宽由初期的微米级逐步精细到亚微米、深亚微米级。随后为了进一步减小导通电阻, 在高压和低压两个方向上分别采用了不同的手段:

在低压端, JFET电阻在导通电阻中占据了较大比例。槽栅技术的出现, 彻底消除了寄生JFET, 使低压器件的导通电阻大为改善, 由数10 mΩ减小到1 mΩ以下。东芝30 V槽栅器件的比导通电阻已经降到0.1 mΩ/cm2。

在高压端, 漂移区电阻是导通电阻的主要部分。为了达到高耐压, 势必采用较低的掺杂浓度和较厚的漂移区, 结果则是导通电阻增加。为了解决这一矛盾, 电子科技大学的陈星弼教授于1993年提出了以纵向交替排列导电类型相反的掺杂区作为漂移区, 通过电荷平衡, 使漂移区的电场趋向平均, 这就使薄的漂移层就能承受高电压, 甚至突破了平行平面结击穿电压的理论极限, 从而大大降低了漂移区电阻、大幅减缓了通态压降随电压上升而快速增加的趋势, 为高压MOSFET的进一步发展提供了理论准备;这一理论后来被称为Supper-Junction (SJ) 。1998年, Infineon依据SJ理论, 制成了所谓Cool MOSFET, 导通电阻比常规MOSFET减少了一个数量级。由于这一技术进步, 甚至使MOSFET开始挤占IGBT的部分应用市场。目前, Infineon 650 V/75 A的CoolMOSFET的导通电阻仅有19 mΩ, 900 V产品也已系列化, 900 V/36 A Cool MOSFET的导通电阻为120 mΩ。

当MOSFET在国外快速发展之时, 国内却未充分重视, 功率器件被当作是粗放型产品;功率器件厂家得不到充分支持, 长期不具备微米、亚微米线条加工的工艺手段, 我国的功率器件与国际先进水平的差距不断拉大。直至近年来, 随着国内出现了多条6吋以上的功率器件生产线, 国产MOSFET才在市场上出现, 但主要限于中、低端产品, 大部分产品为平面栅工艺, 槽栅工艺刚开始量产, SJ工艺也未实现商品化, 高端器件仍然依赖进口, 尤其是抗辐照航天器件严重短缺。

2) 绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)

在高压范围, MOSFET的导通电阻会增加到应用上不可接受的程度。为了降低通态压降, 美国的一些研究者于上世纪70年代末提出了在MOSFET芯片背面增加PN结, 形成少子注入;利用其电导调制效应减小漂移区电阻, 这种器件后来被称为绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 。IGBT确实大大降低了高压器件的通态压降。由于有少子存储效应, 其开关速度稍差, 但仍明显优于BJT。1985年, GE公司制成了工业品IGBT。此后, IGBT在600V以上占据了功率开关器件的主导地位。

初期IGBT的漂移区采用穿通 (PT) 结构, 饱和压降为负温度系数, 易发生热奔。后改为非穿通 (NPT) 结构, 饱和压降温度系数变负, 消除了热奔, 从此IGBT获得了大发展。NPT工艺采用单晶片制作, 芯片在背面掺杂之前的厚度仅为一百多微米, 很容易破碎, 工艺难度比MOSFET进一步增加。

NPT工艺之后, IGBT向着进一步减小饱和压降的方向发展, 主要技术是槽栅技术和软穿通 (SPT) 技术 (或场阻止技术, FS) 。槽栅技术消除了JFET电阻, SPT (或FS) 是在背面P型掺杂层与漂移区之间加入缓冲层, 使相同耐压下漂移区明显缩短, 饱和压降显著减小。同时, 这也使芯片厚度进一步减小到了一百微米以下。

IGBT的国外生产厂商有Infineon, ABB, 三菱, 富士, 东芝, IR等, 其中ABB IGBT模块的耐压已经达到6 500 V, 电流达到4 000 A。

薄片工艺是国产IGBT的主要拦路虎。近年来, 国内个别厂家具备了薄片加工能力, 国产的IGBT芯片得以问世, 但市场仍完全被进口产品占据。

3) 宽禁带半导体功率器件

随着槽栅、FS、SJ等技术的采用, Si器件的潜力几乎被挖掘殆尽。因此自上世纪末起, 以Si C、Ga N为代表的宽禁带半导体材料成为研究热点。宽禁带半导体具有高击穿场强、高结温、高热导率等突出优点, 能大幅度提高器件的耐压、电流密度、开关速度、和工作温度。其中Si C与Si器件工艺的兼容性较好, 正在快速发展。

目前, Si C SBD和MOSFET已商品化, 向Si FRED和IG-BT发起了有力冲击。Cree、Infineon推出了600 V、1 200 V、1 700 V Si C SBD系列产品;Cree、Rohm推出了1 200 V Si C MOSFET;Cree还报道了10 k V/20 A的Si C MOSFET。尽管Si C SBD和MOSFET仍有相当大的提升空间, 但其主要性能已远超同类Si器件。此外, Fairchild已推出了1 200 V Si C BJT系列产品, 与Si BJT相比, 具有压降低、速度快、无二次击穿、可直接并联等突出优点;Si C PIN二极管也涌现了很多成果, 但商品化的器件尚未上市。

宽禁带功率器件展现了十分令人神往的发展前景, 正走向成熟;它正在带来器件性能的飞跃提升, 引发新一轮技术革命。宽禁带半导体所面临的工艺问题 (单晶材料的缺陷、掺杂、退火、界面态控制、欧姆接触的制备等) 正在得到解决;宽禁带半导体的时代已不再遥远, 它正向我们款款而来;在恶劣工作环境和高可靠领域, 它势必成为主流。

我国的部分单位也开展了宽禁带功率器件的研究, 取得过众多研究成果。但宽禁带半导体工艺难度更大, 工艺设备价格更昂贵, 国内企业均不具备完整的生产条件, 致使我国宽禁带半导体器件距离商品化还有相当大的距离。

2 工艺、环境、设备发展趋势与差距

新型功率器件对工艺、环境、设备的要求已经发生了重大变化:大功率不再简单粗放;新型功率器件的版图不再是简单的整体图案, 而是由大量相同的单元密集重复排列构成;因此必须采用精细线条工艺, 工艺线宽已由十多微米缩小到了亚微米、甚至深亚微米数量级;投影步进光刻、干法刻蚀、窄线条陡壁深槽刻蚀、多晶电极等IC工艺被移植到了功率器件的工艺中;新型功率器件多在6″-8″生产线进行芯片加工。IGBT采用超薄片工艺, 必须采用专用设备才能加工。与此相应, 新型功率器件所要求的净化环境也由原来的最高100级加严到10级、甚至1级;温湿度、防静电要求也更加严格。我国功率器件厂家未能及时跟进这一变化, 长期不具备新型器件的生产条件, 严重影响了新型功率器件的发展进程。2000年后, 部分功率器件企业陆续引进了6″~8″生产线, 才使这一局面开始改观;但引进线均为二手线, 整体上仍然落后于国际先进水平。

在宽禁带半导体器件的生产条件方面, 我国与国外差距更大。宽禁带半导体的外延、掺杂、退火等工艺设备与硅器件完全不兼容。我国企业不具备上述专用设备, 只能眼看着国外产品占据我国广大的市场。

3 意见和建议

综上所述:功率器件应用广泛, 市场广阔。新型功率器件具有节能、节材、环保等效益, 可促进可持续发展, 对于面临很大能源和环境压力的我国具有重要意义。尤其值得重视的是:宽禁带半导体功率器件的时代正在到来, 它使功率器件的电压、电流容量飞跃增长, 开关速度进一步提高, 通态压降大幅度减小, 具有更显著的节能效益, 将引起新一轮技术革命。

然而, 在新型功率器件方面, 尤其是在宽禁带功率器件领域, 我国与国际先进水平有很大的差距。硬件设施水平差、创新能力不足、部分重要技术尚未突破是造成产品滞后的重要原因。半导体是高投入产业, 宽禁带半导体所需的专用设备价格尤其昂贵, 企业难以承担。因此, 国家应给予高度重视, 在产业政策上大力支持。具体建议如下:

1) 设立宽禁带功率器件专项资金项目, 支持产、学、研结合, 建立宽禁带功率器件研发生产基地, 占领功率器件的技术制高点;

2) 支持功率器件企业的技术改造, 改善硬件设施, 完善工艺手段, 为新型功率器件的研发和产业化创造基础条件;

3) 设立专项资金, 资助企业突破SJ-MOSFET, 中高压 (100 V以上) Trench MOSFET、IGBT (尤其是Trench-FS IG-BT) 等技术瓶颈, 支持上述产品的研发和产业化;

新型器件篇4

本文选取的案例“基于Ga N HEMT的新型电力电子器件研究”属于江苏省科技支撑计划的课题项目。该课题研究内容为Ga N HEMT电力电子器件的材料结构、器件结构、版图、关键工艺等技术, 掌握Ga N HEMT电力电子器件的设计和制造技术。该项目的研究迈出了我国Ga N HEMT电力电子器件产业化发展的第一步, 促进了现有硅基电力电子器件的更新换代, 能够广泛应用于各类电力系统, 具有极大的社会和经济效益。该项目研制周期为2010年9月到2012年12月, 课题总经费预算为250万元, 自筹和财政拨款的比例约为2:1。该项目属于我国目前比较常见的科研项目研究类型, 在科研项目成本管理研究中有一定的代表性。

二、项目管理准备阶段

(一) 建立项目成本管理小组

高效的项目成本管理机构是科研项目成本管理活动有序运行的重要保证。因此, 项目成本管理的第一项工作就是明确项目成本管理主体, 建立合理的成本管理组织机构。

由于项目财务管理的特殊性, 项目成本管理的总负责部门由财务部门担当比较合适。一方面财务部门拥有财务和成本管理相关的专业技术能力, 另一方面财务部门也是项目费用数据的直接收集者, 能够更加及时和客观的发现项目成本中存在的问题, 有利于项目费用支出的统筹安排和项目成本的有效控制。

本项目我们成立了以财务部为核心的项目成本管理小组, 明确了各主体的权利和责任。财务部门是项目成本管理工作的组织者, 在项目成本管理中负主要责任。项目承制单位是项目成本管理工作的重要组成部分, 主要负责项目预算的编制, 包括立项阶段的预算和定期的滚动预算。科研管理部门负责具体项目研发有关工作的管理, 包括项目文件管理、项目申报工作协调和协助项目预算工作等。审计部门主要负责项目责任成本考核。其他部门根据需要参与项目成本管理工作。

(二) 建立项目管理信息系统

以往的工作中, 技术的限制使得人工条件下的信息搜集和处理工作非常困难, 制约了成本管理的有效性和及时性。在本项目中, 我们依托本单位的物资管理系统和财务核算系统, 将项目成本管理纳入到了管理信息系统核算。从项目立项开始, 包括项目预算, 成本归集和核算, 以及成本分析等形成的数据都通过项目管理信息系统处理。

(三) 项目成本预算编制

立项阶段的项目预算由项目承制单位负责编制, 财务部门和其他部门辅助执行。在本项目中, 我们实行了预算编制到预算审核, 退回重新编制到最终确定预算的四步骤预算管理方法。

第一步, 由项目承制单位编制项目经费初始预算。遵循的原则, 一是符合国家相关法律法规和项目下达部门对各经费使用的要求;二是符合成本节约的原则;三是符合成本效益的原则;四是预算应明细化, 以便考核项目预算执行情况。据此编制的初始预算表格如表1:

第二步, 将编制好的初始预算交予预算审核小组审核。预算审核小组由两名财务人员和两名技术专家组成, 他们按照技术规格、财务合理性以及成本效益性等要求, 对项目预算的合理性和科学性进行详细审核, 并提出修改意见。本项目的预算审核小组对初始预算审核后建议, 项目中计划购置的有些设备可以在单位内部调剂使用, 不必购置, 调减设备费10万元;有的材料支出不合理, 调减材料费10万元;考虑到项目前期需要大量的外协和外出调研工作, 调高差旅费和会议费预算。充分考虑主管单位要求和本单位实际, 最终确定项目预算为: (见表2)

立项阶段的预算工作完成后, 将预算资料会同其他资料上报给主管部门, 等待立项通过。

(四) 项目成本控制与预算调整

在本案例中, 除传统的项目成本控制方法外, 我们尝试引入工程项目管理中常用的“挣值分析法”来对科研项目成本进行控制。针对本项目, 我们明确了三个关键中间变量:项目计划完成工作的预算成本 (BCWS) 是在成本预算阶段就确定的与项目活动时间相关的成本累计值。

单位:万元

BCWS=计划工作量*预算定额 (1)

项目计划完成工作的实际成本 (ACWP) 是项目在计划时间内实际完工投入的成本累计总额。

项目已完工作的预算成本 (BCWP) 即挣值, 指的是项目在计划时间内实际完成工作量的预算成本总额。

BCWP=已完成工作量*预算定额 (2)

明确两种偏差:

项目成本偏差 (CV) =BCWP-ACWP (3)

项目进度偏差 (SV) =BCWP-BCWS (4)

明确两个指数变量:

计划完成指数 (SCI) =BCWP/BCWS (5)

成本绩效指数 (CPI) =ACWP/BCWP (6)

本项目工作量的测定由项目管理专家组根据项目研究进度确定, 费用按线性增长法按比例平均分配给整个工期, 完成量按百分比记入挣值, 如本项目计划完成时间为27个月, 项目总成本为250万元。则项目第一个月的BCWS为9.26万元;第一个月经项目专家组测定完成工作比为5%, 则项目的挣值BCWP为12.5万元;项目当月发生成本ACWP为10.2万元。得出CV=2.3, SV=3.24, SCI=1.35, CPI=0.82。 (见表3)

表中CV为2.3说明该月项目已完成工作实际支付的成本低于计划预算成本, SV为3.24说明项目实际进度超过预算进度, SCI为1.35表示计划工期的实际完成程度超出预算进度35%, CPI为0.82表明同样的工作量发生的成本只有预算成本的0.82倍。随着项目的进行, 我们按月对项目进行挣值分析, 进而对项目成本费用支出情况进行分析。对整个项目过程成本管理工作起到了极大的辅助作用。

对项目的费用支出情况进行分析之后, 我们对项目的支出预算进行定期的调整。在项目执行过程中, 我们启用了项目支出的滚动预算方案。在整个项目管理工作中, 我们以季度为一个阶段进行预算的调整编制。滚动预算按照“近细远粗”的原则, 根据上个季度的预算完成情况, 调整和具体编制下一期预算, 并将编制预算的时期逐期连续滚动向后推移, 预算的编制, 采用长计划短安排的方式进行, 即在编制预算时, 可先按年度分季, 并将其中第一季度按月划分, 编制各月的详细预算。其他三个季度的预算可以粗一些, 只列各季总数, 到第一季度结束前, 再将第二季度的预算按月细分, 第三、四季度及下年度第一季度只列各季总数, 依此类推, 使预算不断地滚动下去。通过滚动预算法, 使相关人员能从动态的预算中把握项目的总体支出情况, 可以根据前期预算的执行结果, 结合各种新的变化信息, 不断调整或修订预算, 从而使预算与实际情况相适应。 (见表4)

(五) 项目成本考核

成本考核工作是项目成本控制的重要环节, 通过成本考核工作能够提高各部门以及员工的成本控制意识, 督促其在平时的工作中进行成本管理, 进而有效的控制费用支出, 达到节约成本的最终目的。

在本项目的实施过程中引入成本责任考核制度, 对目标责任人员的费用支出进行合理化的考核, 对于其自身原因造成的材料损失进行相应的处罚, 有效的控制了材料成本的支出。成本责任考核还包括对项目执行部门之外的其他项目管理的责任考核工作, 如考核物资供应部门对物资采购成本的控制, 财务管理部门对项目成本支出核算的管理, 以及其他项目管理部门的工作等。项目考核工作由审计部门执行, 通过在项目管理中引入责任管理机制, 我们提高了项目管理的效率, 实现了控制成本支出的目的。

在以财务部门为主导的项目成本管理小组的努力下, 借助企业内部管理信息系统的辅助管理, 从预算、控制到考核的全过程的项目成本管理, 以及将滚动预算和责任成本引入到日常成本管理和考核工作中, 最终该项目成本管理工作取得了极大的成效。在保证项目取得预期成果的情况下, 该项目费用得到了有效控制, 特别是材料费节约了约17.25%。整个项目支出比预算节约了将近9.5%。 (见105页表5)

三、结束语

科研项目管理要紧跟时代发展潮流, 在国家实施创新型发展战略背景下, 科研项目的管理要与实际工作结合, 不断去体会思考, 将科研项目管理落到实处。本文运用案例分析了体系化成本管理的可行性, 将挣值分析法、滚动预算制度以及责任成本管理机制应用到成本管理体系中, 为同类型的科研项目成本管理提供了现实参考。

参考文献

[1]常旺玲.浅析科研项目财务管理实务[J].上海会计, 2007 (11) :36-37.

[2]成丽莉.科研项目型事业单位的财务管理研究[J].中国管理信息化, 2010 (7) :33-35.

新型器件篇5

1 ZnO的点缺陷及缺陷反应

ZnO的本征点缺陷相对比较复杂,共有6种形态[4,5,6,7](缺陷态的表示均采用Kröger-Vink法):氧空位(VO)、锌空位(VZn)、间隙锌(Zni)、间隙氧(Zni)、反位锌(ZnO)和反位氧(OZn)。这些缺陷在ZnO禁带中分别占据不同的能级,对ZnO的光电性能起作用。VO、Zni、ZnO为施主缺陷,VZn、Oi、OZn为受主缺陷。ZnO中锌、氧空位和间隙缺陷的形成及荷电性质如下[5,6,7,8]:

VZn:VZn是较强的电荷陷阱,理论上能够以5种荷电状态稳定存在,即±1、±2及中性,但实际情况中以中性或负电荷态出现,即VZnx、VZn·、VZn··、晶格中的Zn原子失去电子,形成VZn后,Zn电荷量由+2q而减少。同时周围原子的价电子数也相应减少,电荷往VZn处转移,形成负电中心,具有正的库伦排斥势,其价带往高能方向移动,易进入带隙形成受主能级。

VO:类似于VZn的形成,晶格中的O原子得到电子,形成VO后,O原子电荷量由-2q而增加,导致周围的价电子密度发生改变,形成正电中心,具有负的库伦吸引势,其导带往低能方向移动,易进入带隙形成施主能级。而VO可能通过缺陷反应电离成单离子、双离子氧空位。因此,ZnO晶体中的氧空位可能以3种形式存在,即VO、VO·、VO··。

Zni:由于ZnO晶体间隙具有较高的势能,Zni的形成将使得临近的氧离子往Zni发生位移,约0.03 nm,而Zni的价电子往周围势能较低的地方转移,形成正电中心。这样造成导带能及往低能方向移动,进入带隙形成施主能级。

Oi:与Zni相反,Oi缺陷是价带顶的受主能级,这主要是因两者的颠覆性不同。电负性小的Zn原子容易失去电子,而电负性大的O原子易得到电子。

通常,Zni和VO是施主缺陷,在本征ZnO材料中占主导,也是引起本征ZnO n型电导的主要原因,而只有在非常特殊的条件下才可能处于主导地位[5,6]。而每种缺陷态形成的难易程度并不一致,这可以用“形成能(Ef)”来表述。形成能越低,该缺陷越容易形成[4]。ZnO中不同荷电态点缺陷的形成能和及其缺陷浓度可分别用式(1)和(2)表示:

Ef(q)=Etot(q)-nZnμZn-nZnμZn-qEF (1)

undefined

其中,q表示荷电量,Etot(q)表示体系总能量,μZn、μO分别为Zn和O的化学电势,EF表示费米能级,CD表示缺陷浓度,Nsites表示能缺陷位密度。

以上式子表明,ZnO中本征缺陷的Ef随着费密能级的位置变化而不同。通常,n 型ZnO 的费密能级位置高于p 型ZnO,这也是本征p型ZnO难以获得的根本原因。

这些缺陷可能在合适的条件下进一步发生缺陷反应而离化,产生不同荷电状态的新缺陷。其中主要缺陷的形成、平衡常数及离化能见表1[5,6,7,8,9]。

2 p型ZnO

p-n结的制备是ZnO薄膜应用研究的重要途径,而制备p型和n型电导的ZnO薄膜是ZnO光电器件的基础。由于本征ZnO薄膜中有较强的自补偿作用,n型ZnO的实现要容易得多。因此,怎样克服自补偿效应制备p型ZnO是其应用的关键。

2.1本征p型ZnO

ZnO薄膜存在的自补偿作用,主要来源于Zni和VO,而VO的形成能远小于Zni。因此,基本上可认为,在质量较好的原生ZnO薄膜中,VO是最重要的施主和补偿度来源[8,9]。因此,理论上讲,要获得本征p型ZnO,就需要大大降低VO浓度,这就要求在富氧条件下进行ZnO薄膜的生长。近来,也有些实验表明[10,11,12,13],在富氧条件下能够得到本征p型ZnO薄膜。但这种实验结果存在较多的偶然性,且空穴载流子浓度较低。若要获得空穴载流子浓度更高的p型ZnO薄膜,需要对ZnO进行非本征掺杂。

2.2掺杂p型ZnO

理论上讲,非本征掺杂实现ZnO的p型转变可以通过两种途径来实现:其一是用I族元素Li、Na、K替代Zn位;再者就是用V族元素N、P、As、Sb替代O位。而实际上,I族元素的离子半径较小,掺杂时更倾向于占据填隙位,而非占据Zn位形成替位式掺杂,因此主要起施主的作用,而Li的掺杂还容易引起ZnO的铁电行为[14,15]。Na、K键长比纤锌矿中的Zn-O(1.93Å)大,在ZnO中的掺杂容易产生掺杂位附近的应力,有利于提高该杂质缺陷的形成能,从而增强该杂质周围空位等缺陷的补偿效应。因此,I族元素并不适合作为受主掺杂剂,至今未有利用I族元素掺杂而实现p型ZnO的报道。而在V族元素(N除外)掺杂剂中,N具有较小的离化能[16],是目前最为理想的p型掺杂元素。

以N2[17]、NO[18]、N2O[19]为N源,均得到了具有不同空穴浓度和迁移率的p型ZnO薄膜。但这些形式的N在ZnO中的固溶度较低, 若要通过N的掺杂来实现ZnO更高质量的p型转变,就必须提高N的掺杂量、浅化N的受主能级、降低施主浓度,从而提高p型导电性能。采用H辅助掺杂及施主、受主共掺技术。研究表明,以NH3[20]、NH4NO3[21]及有机N源,如CH3COONH4[22]及单甲基联胺[23]等,由于H在ZnO中存在,能与NO(N占据O位)形成NO-H复合体,这种复合体的形成能要比NO单独在ZnO中存在时低,有利于提高N在ZnO中的掺杂。而H位于与N相邻的间隙位,能够有效地抑制本征施主缺陷(Zni、VO)的形成[23]。但H在ZnO中作为施主存在,后续生长过程中H不能够完全被去除,产生较强的补偿作用,这会降低p型ZnO的质量。

施主-受主共掺技术,即将活性施主和受主共同引入ZnO体系。这种共掺杂理论由Yamamoto等[24]首次提出。他们认为,掺杂的难易程度可以用体系Madelung能量(EMad)的变化来衡量(见表2),EMad越高,掺杂越难进行。Ga、Al和In在ZnO中的掺入,能够降低体系的EMad,而受主如N的掺入则会提高体系的EMad。而单独进行受主掺杂时,受主之间存在排斥势,使得掺杂态出现局域化。受主、施主的共掺杂,受主与施主之间通过较弱补偿效应而衍生的静电能量产生较强的吸引势(大于排斥势),促进受主的有效掺入;同时,受主与施主之间的吸引作用能够降低受主在带隙中的能级水平而提高施主的能级。研究表明,Ga、Al、In等与N在ZnO中共同掺入,有利于增加N的掺入浓度、得到更浅的N受主能级[25]。

2.3 p型ZnO的困难

尽管有研究表明,通过非本征掺杂能够实现ZnO的 p型电导,但p型ZnO的重复性和稳定性有待进一步提高,尤其是低电阻率p型ZnO的制备[2,5,7]。p型ZnO的获得如此困难,主要因为[2,13,19,26]: (1)ZnO中存在由本征点缺陷或掺杂原子间隙缺陷,形成施主,造成强补偿作用:缺陷能通过形成深能级缺陷来补偿替位能级,强的晶格弛豫在带隙中产生较深的掺杂能级。其中,间隙Zn 和氧空位被认为是产生补偿电子的主要原因,使掺杂过程中所产生的浅受主能级被补偿,所以难以实现p型转变。 (2)目前ZnO的有效p型掺杂剂在ZnO中的固溶度均较低,这限制了其的掺杂浓度,从而也限制了空穴载流子的浓度。 (3)掺杂时,容易形成深杂质能级,对浅受主能级的形成产生较大的阻力。

由于p型ZnO制备的困难,目前,人们通过本征n型ZnO与其它p型半导体材料如NiO、ZnRh2O4、SrCu2O2等结合构成异质p-n结,得到了部分有意义的结果。

3 ZnO薄膜新型功能器件

3.1光电转换器件

ZnO作为一种宽带隙半导体材料,主要用在短波长半导体激光领域。ZnO的激子结合能较高,为60 meV,远高于GaN等其他半导体材料,也高于室温热能26 meV[2,3,4]。因此,室温下ZnO的激子仍然稳定,完全能够实现室温的激子辐射发光。而相对与电子-空穴的复合发光而言,这种激子发光具有更高的效率,更低的激射阈值(可降至24 kW/cm2),更高的光学增益(320 cm-1)[27,28,29],且能量转换效率及光谱响应特性较好。同时,ZnO的禁带宽度可通过形成MgxZn1-xO三元合金进行调节,使得ZnO激光可覆盖从蓝光到紫外光的广谱区域。因此,ZnO在紫外探测器、蓝光LED、光信息存储等领域具有广阔的应用前景和巨大的市场潜力。Young等[30]利用ZnO薄膜的光电性能,制作了MIS和MSM结构的紫外探测器,具有较高的光电响应特征,而这种光电探测器可通过掺入Mg而使其相应光谱覆盖整个日盲区。而Tsukazaki等[31]基于ScAlMgO4衬底上构筑ZnO紫外LED,并观测到其3.3 eV的紫外光。但ZnO薄膜LED器件的继续发展,仍需要 p型ZnO等技术难题的攻克。

3.2压电和热电器件

ZnO晶体为六方纤锌矿结构,无对称中心,c轴方向具有极性,且存在2个极性面:Zn原子极性面和O原子极性面[2,3,6]。同时,ZnO具有较高的机电耦合系数和低的介电常数,是种性能较好的压电、热电半导体材料,可以应用于各种波导器件、压敏器件、气敏感元件等。其中,表面声波器件应用较为成熟(SAW)。随着通信技术的通信频率往高频发展,要求SAW器件超过1GHz的高频。而ZnO的高频特性非常适合制作SAW高频器件。目前,日本村田公司通过ZnO薄膜已制作出低损耗的1.5 GHz的射频SAW滤光器,正在开发2 GHz器件[31]。

3.3稀磁特性及器件

自旋电子学的快速发展及ZnO特殊的光电特性,使得ZnO体系薄膜的稀磁特性引起了国内外专家极大的兴趣,因为这样可以兼容磁性和ZnO的半导体性质。但是,ZnO本身并没有磁性,需要通过具有磁性的离子掺杂来实现。这些元素主要集中在3d过渡金属元素如Mn、Ni、Fe、Co、Cu、Cr、Sc等,且这些元素在ZnO中的溶解度较高。然而人们对ZnO稀磁特性的机制存在一定的争议。一方面,人们认为ZnO的这种稀磁特性来源于局域过渡金属自旋磁矩和载流子的强烈自旋-自选交换作用;另一方面,人们认为是过渡金属原子团簇产生的次相导致的[32]。但不管怎样,ZnO稀磁特性在自旋电子器件中具有很好的发展前途。而目前,基于ZnO的各种自旋电子器件,如ZnO自旋场效应管等也尚处于初期研发阶段[33]。

3.4电阻存储器

最近, ZnO三明治夹层结构的电阻器件[34,35,36]等引起人们的关注。这些器件在某种特定条件下,表现出在高阻值态和低阻值态之间重复、稳定的开关特性,即电阻开关特性。通过ZnO的这种优异电阻开关特性,可以开发成为电阻存储器。这也为ZnO薄膜的应用研究开辟了新的方向。同时,ZnO的这种存储器件可以制备在透明的ITO导电衬底上并集成,从而实现透明光电子器件[37]。但ZnO的这种开关特性仍然处于研究初期,众多方面需要继续深入研究。

4展望

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