IFWS碳化硅電力電子器件技術(shù)分會（上）

 

　　以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)等為代表的第三代半導(dǎo)體材料，具有高擊穿場強(qiáng)、高熱導(dǎo)率、高電子飽和速率、高抗輻射能力等優(yōu)越性能，是固態(tài)光源和電力電子、微波射頻器件的“核芯”，在半導(dǎo)體照明、新一代移動通信、智能電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、消費(fèi)類電子等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，可望成為支撐信息、能源、交通、國防等發(fā)展的重點(diǎn)新材料，正在成為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新的戰(zhàn)略高地。

分會現(xiàn)場
 

　　11月15日-17日，2016中國(北京)跨國技術(shù)轉(zhuǎn)移大會暨第三代半導(dǎo)體國際論壇（以下簡稱“跨國技術(shù)轉(zhuǎn)移大會”）在北京國際會議中心舉行，第十三屆中國國際半導(dǎo)體照明論壇并與之同期同地舉行。其中，在11月17日召開的“碳化硅電力電子器件技術(shù)分會”現(xiàn)場，聚集了來自全球各地頂尖專家，高質(zhì)量報告密集發(fā)布，亮點(diǎn)十足。

 

　　據(jù)了解，北京市“十三五”時期加強(qiáng)全國科技創(chuàng)新中心建設(shè)規(guī)劃中，關(guān)于第三代半導(dǎo)體也明確提出以先導(dǎo)材料、優(yōu)勢材料為核心，加快以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體材料等新材料技術(shù)研發(fā)，提高特種材料自給能力，推動順義區(qū)第三代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

 

　　并對第三代半導(dǎo)體全產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行部署，國家新材料重大科技任務(wù)部署，推動第三代半導(dǎo)體材料研發(fā)項(xiàng)目落地北京。圍繞材料器件研發(fā)與應(yīng)用，全鏈條部署、一體化實(shí)施。即“1234”總體布局：“1”個基地，即承接國家第三代半導(dǎo)體重大創(chuàng)新基地建設(shè)；“2”種材料，即重點(diǎn)聚焦碳化硅、氮化鎵兩種材料；“3”條主線，圍繞光電子、電力電子、微波射頻三條應(yīng)用主線；“4”項(xiàng)任務(wù)，即關(guān)鍵技術(shù)突破、創(chuàng)新鏈條構(gòu)建、成果孵化轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)集群建設(shè)。

 

　　在碳化硅電力電子器件技術(shù)專場分會現(xiàn)場，由中國大功率電力電子技術(shù)的主要開創(chuàng)者之一、全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院黨組書記、副院長，輸配電及節(jié)電技術(shù)國家工程研究中心主任邱宇峰和浙江大學(xué)教授，教育部長江學(xué)者，特聘教授，博士生導(dǎo)師盛況共同擔(dān)任嘉賓主持。美國倫斯勒理工大學(xué)教授周達(dá)成受邀擔(dān)任本次分會外方主席，并作高電壓碳化硅功率器件的研究進(jìn)展主題報告。

 

　　周達(dá)成教授指出，SiC以其具有吸引力的材料特性，成為電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的一種寬帶隙半導(dǎo)體材料。目前，SiC的高電壓功率器件可以商品化，性能提高了，因此常規(guī)的硅器件相比，功率損耗更小，能量效率更高，正在沖擊先進(jìn)的電力電子學(xué)系統(tǒng)。

 

　　同時，他還對SiC功率器件的類型和結(jié)構(gòu)，包括其性能方面的潛力和目前的狀況。在各個功率范圍內(nèi)（低、中、高），我們將聚焦目前的商業(yè)化趨勢，并且提出這些新興半導(dǎo)體器件遇到并且亟需解決的挑戰(zhàn)都給出了詳盡的分析。

 

　　他指出，為了獲得市場的廣泛接收，SiC功率器件需要在長期可靠性和低成本方面繼續(xù)努力。因此，我們期待SiC功率期間技術(shù)將會成為一種重要的有效利用能源的功率電子系統(tǒng)，并且實(shí)現(xiàn)很寬范圍的功率水平。

 

　　除此之外，分會在為期全天的會議安排中，團(tuán)隊(duì)同樣星光熠熠，力邀多位國內(nèi)外的權(quán)威專家共同坐鎮(zhèn)。會議上半場特邀澳大利亞格里菲斯大學(xué)微電子工程學(xué)院教授Sima DIMITRIJEV分享電力電子設(shè)備的后硅時代主題報告；西安交通大學(xué)電信學(xué)院教授張安平介紹使用SL P AlGaN和反射物提高UVC LED的光提??；日本名古屋大學(xué)教授宇治原徹帶來“高質(zhì)量碳化硅的溶液生長”主題報告；德國愛思強(qiáng)股份有限公司電力電子器件副總裁Frank WISCHMEYER介紹“碳化硅外延生產(chǎn)技術(shù)促進(jìn)高功率半導(dǎo)體器件的大批量生產(chǎn)”報告；廣西大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院杰出教授馮哲川介紹“n + 4H SiC上的同質(zhì)外延4H-SiC薄膜和深紫外-紫外-可見光的光譜特性”演講報告。意大利那不勒斯費(fèi)德里克二世大學(xué)電氣工程和信息技術(shù)系副教授Giovanni BREGLIO帶來DIETI對電力電子器件和寬禁帶半導(dǎo)體器件的研究報告，此外，還有順義產(chǎn)業(yè)園與第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)特邀報告，分享北京順義產(chǎn)業(yè)園與第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基地的建設(shè)情況。

 

　　澳大利亞格里菲斯大學(xué)微電子工程學(xué)院教授Sima DIMITRIJEV在分享電力電子設(shè)備的后硅時代主題報告時，首先講述了硅的局限性和碳化硅以及氮化鎵作為電力開關(guān)器件的優(yōu)勢，并表明了電力開關(guān)器件的四個具體應(yīng)用要求：（1）高阻塞電壓（2）低功耗（3）高轉(zhuǎn)換速度 和（4）正常的關(guān)閉操作。并論述該優(yōu)勢推動了碳化硅肖特基二極管和晶體管的商業(yè)化發(fā)展。報告還分析了氮化鎵的潛能會加快技術(shù)進(jìn)步，超越硅的理論極限，甚至顯著降低電力電子開關(guān)的價格。在最后一節(jié)中，演示文稿將集中描述格里菲斯大學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)電力電子設(shè)備的發(fā)展。

 

　　如轉(zhuǎn)換器和逆變器一般用于電力轉(zhuǎn)換的電力電子設(shè)備是有效利用電能的核心技術(shù)。 SiC電子器件被認(rèn)為是成為用于各種應(yīng)用中的下一代低損耗功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的關(guān)鍵部件。

 

　　日本名古屋大學(xué)教授宇治原徹在“高質(zhì)量碳化硅的溶液生長”主題報告中表示，現(xiàn)有碳化硅晶體生長技術(shù)是依靠播種升華增長方法實(shí)行的。如今，現(xiàn)在市場上有幾乎微管密度為零的4和6英寸的的晶片。然而，在當(dāng)前的技術(shù)中，晶體生長仍然容易出現(xiàn)高密度的擴(kuò)展缺陷。因此減少這些缺陷是改善SiC器件性能的最優(yōu)先問題。液生長法被認(rèn)為是產(chǎn)生高質(zhì)量SiC晶體的有力方法，并闡述了溶液生長法的一些積極作用。對于塊體晶體生長，通常執(zhí)行頂部晶種溶液生長（TSSG）方法。在該方法中，晶體由碳坩堝中的硅基溶劑生長而成，過程中碳元素從坩堝進(jìn)入溶劑。然而缺陷修復(fù)的效果細(xì)節(jié)依然不清楚。最近，我們的X射線形貌實(shí)驗(yàn)揭示了穿透脫臼的愈合機(jī)制。在演講中，回顧了脫位復(fù)位的機(jī)理、位錯密度的控制以及“超高質(zhì)量”的可能性。

 

　　碳化硅(SiC)是重要的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有良好的物理和化學(xué)特性，如高導(dǎo)熱性、高硬度、高電子遷移率、高擊穿電壓和低導(dǎo)電常數(shù)等，適用于高溫和高壓器件以及傳感器應(yīng)用。碳化硅含有多種類型，其中4H-SiC具有最高電子遷移率和室溫下第二最大能隙，其已實(shí)現(xiàn)大尺寸晶片的量產(chǎn)。

 

　　廣西大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院杰出教授馮哲川介紹“n + 4H SiC上的同質(zhì)外延4H-SiC薄膜和深紫外-紫外-可見光的光譜特性”演講報告。他表示， 4H-SiC在同質(zhì)外延方面的研發(fā)至關(guān)重要，通過對一系列的4H-SiC進(jìn)行系統(tǒng)的深入研究，其為在n+型4H-SiC基底上通過低壓高溫化學(xué)氣相沉積(CVD)法生長不同C:Si比率的同質(zhì)外延薄膜。我們采用多學(xué)科表征技術(shù)研究這些n-型4H-SiC/n+型4H-SiC材料，包括光致發(fā)光譜(PL)、拉曼散射(RS)、橢園偏振光譜(SE)、傅里葉紅外光譜(FTIR)和X-射線光電子能譜(XPS)等。

 

　　4H-SiC樣品的低溫(2K)下的PL譜展示了窄的激子譜線、聲子伴線和施主-受主對(DAP)，其提供了微量殘余雜質(zhì)元素的有用信息。可見光的拉曼測量獲得了橫向光學(xué)聲子模（TO），縱光學(xué)聲子模(LO)和來自n+型重?fù)诫s基底的LO聲子與等離子體耦合(LOPC)模。在紫外光325nm激光的激發(fā)下，LOPC模相對于LO聲子的強(qiáng)度極大地減弱，且在深紫外266nm激發(fā)下未出現(xiàn)。

 

　　由詳盡的理論模擬和光譜線形分析，我們做出了對于薄膜的晶體完美性以及生長過程中隨硅/碳流量比的變化的定量表征。從深紫外拉曼測量還可得知某些同質(zhì)外延4H-SiC薄膜的近表面(大約1 mm)層有較高的缺陷密度或晶體結(jié)構(gòu)完整性較差。亦進(jìn)行了拉曼深度剖面測量，即沿薄膜生長方向進(jìn)行每間隔0.5 mm的自動步進(jìn)測量。通過對LO模的理論模擬，可獲取沿著生長方向約6 mm 厚度的4H-SiC薄膜之載流子濃度的變化即摻雜濃度的分布。這些結(jié)果和實(shí)驗(yàn)理論相結(jié)合的方法具有重要的科學(xué)意義，且適用于碳化硅材料的生長和工業(yè)發(fā)展。