記者日前從西安電子科技大學(xué)寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室獲悉，由張玉明教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，在高壓碳化硅功率器件研究方面取得重要進(jìn)展，該團(tuán)隊(duì)近期成功自主研發(fā)了兩類高性能高壓碳化硅功率器件。

其中，碳化硅縱向雙注入金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（SiC VDMOSFET）正向最大電流2.5A，擊穿電壓1200V；不同功率等級的碳化硅結(jié)勢壘肖特基二極管（SiC JBS），其性能指標(biāo)分別達(dá)到了1200V/100A 、3300V/ 50A 、5000V/5A和6400V/500mA，碳化硅二極管的封裝模塊最大功率達(dá)到0.5MW。

這兩類器件實(shí)現(xiàn)的性能指標(biāo)，已達(dá)到國內(nèi)外公開報道的較高水平，有望突破國外相關(guān)單位在高端電力電子芯片領(lǐng)域的壟斷地位。

碳化硅半導(dǎo)體材料和器件的優(yōu)越性

碳化硅是什么？它與廣泛使用的硅材料有什么不一樣的地方？

“目前95%以上的半導(dǎo)體器件和99%以上的集成電路，實(shí)際上都是由硅材料制作的。”張玉明說，“但隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，以硅材料為主的半導(dǎo)體，已經(jīng)無法滿足高溫、高壓、抗輻射等方面要求，而碳化硅材料則是硅材料的有益補(bǔ)充。”

張玉明介紹說，作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，碳化硅半導(dǎo)體不但擊穿電場強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好，還具有載流子飽和漂移速度高、熱導(dǎo)率高等特點(diǎn)，可以用來制造各種耐高溫的高頻、高效大功率器件，應(yīng)用于硅器件難以勝任的場合。

“10倍于硅材料的擊穿電場、3倍于硅材料的熱導(dǎo)率、3倍于硅材料的帶隙寬度，簡單地說，這就是碳化硅材料的優(yōu)越性。”張玉明舉例說，碳化硅半導(dǎo)體器件的運(yùn)用，可以將一個變電站的體積縮小至一個手提箱的大小，同時還能在更高溫度和更高電壓及頻率的環(huán)境下正常工作，消耗更少的電力。

為什么有這種顯著的效果呢？張玉明說，一是因?yàn)樘蓟璋雽?dǎo)體器件的高耐受電壓，可以減少高壓應(yīng)用時的串聯(lián)器件數(shù)，大大簡化設(shè)備和系統(tǒng)；二是因?yàn)槠淠透邷靥匦裕梢越档屠鋮s裝備的容量，大幅提高設(shè)備穩(wěn)定性；三是因?yàn)槠涓哳l特性，可以減小開關(guān)器件的開通和關(guān)斷損耗，提高電力傳送效率。

據(jù)介紹，碳化硅半導(dǎo)體已經(jīng)成為近年來國際研究的熱點(diǎn)。2013年，日本政府將碳化硅納入“首相戰(zhàn)略”，認(rèn)為未來50%的節(jié)能要通過它來實(shí)現(xiàn)。2014年初，奧巴馬親自主導(dǎo)成立了美國碳化硅產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，以碳化硅半導(dǎo)體為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體，獲得了美國聯(lián)邦和地方政府的合力支持。

致力于碳化硅半導(dǎo)體領(lǐng)域研究20年

據(jù)介紹，西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院張玉明教授團(tuán)隊(duì)，從1995年開始就在國內(nèi)率先開展了碳化硅半導(dǎo)體材料與器件的研究工作，其研究水平一直處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。

研究團(tuán)隊(duì)曾成功研制了國內(nèi)第一個MPS二極管、國內(nèi)第一個碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管和國內(nèi)第一個增強(qiáng)型碳化硅埋溝金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。目前，實(shí)驗(yàn)室可以生長2-3英寸碳化硅外延材料，滿足高功率碳化硅器件制備的要求。

“我們目前從事碳化硅半導(dǎo)體研究的團(tuán)隊(duì)，共有9名教師、20余名博士和50余名碩士。可以說，在碳化硅研究領(lǐng)域，我們的研究團(tuán)隊(duì)在國內(nèi)是規(guī)模最大、程度最深、水平最高的。”張玉明說，他們近年來在國家重大專項(xiàng)、教育重大支撐計(jì)劃等項(xiàng)目支持下，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在碳化硅基礎(chǔ)理論、外延材料生長和功率器件領(lǐng)域取得顯著進(jìn)展，發(fā)表了一系列高水平論文。

張玉明介紹說，這次自主研發(fā)的兩類高性能高壓碳化硅晶體管，主要突破了電場調(diào)制終端保護(hù)技術(shù)、柵介質(zhì)界面改善技術(shù)、有源區(qū)版圖優(yōu)化架構(gòu)設(shè)計(jì)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

“值得一提的是，擊穿電壓超過6000V的硅結(jié)型式壘肖特基二極管，無論在國內(nèi)市場還是在國際市場上，是有錢也買不到的，因?yàn)閯e人不出口。更重要的是，我們研發(fā)的這類晶體管，是一個系列產(chǎn)品，能夠滿足不同狀態(tài)下的使用要求。”張玉明說。“目前，我們正在和公司積極開展合作，未來產(chǎn)品有望突破國外相關(guān)單位在高端電力電子芯片領(lǐng)域的壟斷地位。”

碳化硅功率器件應(yīng)用前景和市場潛力巨大

據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu)IHS公司在《SiC和GaN功率半導(dǎo)體世界市場-2014版》報告中指出，受到混合和電動汽車、光伏逆變器和其他應(yīng)用對電力供應(yīng)需求增長的激勵，全球碳化硅和氮化鎵功率半導(dǎo)體新興市場在未來10年將增長17倍，從2013年的1.5億美元增長到2023年的25億美元。

張玉明說，碳化硅功率器件能夠廣泛應(yīng)用于電力推動、新能源汽車、軌道交通、家電、智能電網(wǎng)、太陽能、風(fēng)力發(fā)電、電壓轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)性能的顛覆性的轉(zhuǎn)變，對國家節(jié)能降耗起到重大作用。

一方面應(yīng)用前景廣市場潛力巨大，另一方面也是一場各國之間的技術(shù)競賽。張玉明介紹說，半導(dǎo)體碳化硅襯底及芯片，具有重要的戰(zhàn)略價值，一直是美國商務(wù)部規(guī)定的處于榜首的禁運(yùn)產(chǎn)品，亟待打破這種壟斷局面。

在談到碳化硅半導(dǎo)體器件當(dāng)前的應(yīng)用時，張玉明介紹說，由于高壓大電流需要更厚的外延層和更大的芯片面積，導(dǎo)致了碳化硅半導(dǎo)體器件目前的成品率不高，加之碳化硅制備工藝難度大，碳化硅半導(dǎo)體器件目前的價格，與硅半導(dǎo)體器件還存在一定距離。“不過，隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，碳化硅器件的前景很廣闊，未來的價格有望繼續(xù)降低。”

來源：西電新聞網(wǎng)