以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)等為代表的第三代半導體材料,具有高擊穿場強、高熱導率、高電子飽和速率、高抗輻射能力等優越性能,是固態光源和電力電子、微波射頻器件的“核芯”,在半導體照明、新一代移動通信、智能電網、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等領域有廣闊的應用前景,可望成為支撐信息、能源、交通、國防等發展的重點新材料,正在成為全球半導體產業新的戰略高地。
11月15日-17日,2016中國(北京)跨國技術轉移大會暨第三代半導體國際論壇(以下簡稱“跨國技術轉移大會”)在北京國際會議中心舉行,第十三屆中國國際半導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分會”現場,聚集了來自全球各地頂尖專家,高質量報告密集發布,亮點十足。
會上,來自美國倫斯勒理工大學教授周達成分享了“高電壓碳化硅功率器件的研究進展”主題報告。他表示, SiC以其具有吸引力的材料特性,成為電源轉換應用中的一種寬帶隙半導體材料。目前,SiC的高電壓功率器件可以商品化,性能提高了,因此常規的硅器件相比,功率損耗更小,能量效率更高,正在沖擊先進的電力電子學系統。
報告中,詳細介紹了SiC功率器件的類型和結構,包括其性能方面的潛力和目前的狀況。在各個功率范圍內(低、中、高),并介紹了目前的商業化發展趨勢,并且提出這些新興半導體器件遇到并且亟需解決的挑戰。
周達成教授表示,由于同屬于間接帶隙半導體材料,并且加工過程有很多相似之處,因此,SiC功率器件的結構與硅功率器件的結構十分相似。
在低功率(<500W)和閉鎖電壓(<600V)區域,300V的肖特基二極管和600V的SiC功率MOSFETs是可以獲得的,但它們與Si和GaN器件具有很強的競爭。在中等功率和閉鎖電壓下,1.2kV的垂直面SiC功率MOSFET可以獲得,1.7-3.3kV很快可以實現。
通過提高轉換頻率的上限,并且提高發動機和功率轉換器的能量效率和功率密度,SiC功率器件能夠替代Si IGBT。在高功率(>1MW)和超高閉鎖電壓(>5kV)范圍,發展了SiC IGBT和超級連接的SiCMOSFET,使之前在硅工藝中不能實現的單級轉換技術成為可能。最近,實驗證明了n型摻雜的襯底制造的超高電壓雙定向的SiC IGBT。
周達成教授表示,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努力。因此,我們期待SiC功率期間技術將會成為一種重要的有效利用能源的功率電子系統,并且實現很寬范圍的功率水平。