西电张玉明教授团队成功研发高性能高压碳化硅功率器件

记者日前从西安电子科技大学宽带隙半导体技术重点学科实验室获悉，由张玉明教授带领的团队，在高压碳化硅功率器件研究方面取得重要进展，该团队近期成功自主研发了两类高性能高压碳化硅功率器件。

其中，碳化硅纵向双注入金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC VDMOSFET）正向最大电流2.5A，击穿电压1200V；不同功率等级的碳化硅结势垒肖特基二极管（SiC JBS），其性能指标分别达到了1200V/100A 、3300V/ 50A 、5000V/5A和6400V/500mA，碳化硅二极管的封装模块最大功率达到0.5MW。

这两类器件实现的性能指标，已达到国内外公开报道的较高水平，有望突破国外相关单位在高端电力电子芯片领域的垄断地位。

碳化硅半导体材料和器件的优越性

碳化硅是什么？它与广泛使用的硅材料有什么不一样的地方？

“目前95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路，实际上都是由硅材料制作的。”张玉明说，“但随着应用范围的扩大，以硅材料为主的半导体，已经无法满足高温、高压、抗辐射等方面要求，而碳化硅材料则是硅材料的有益补充。”

张玉明介绍说，作为一种宽禁带半导体材料，碳化硅半导体不但击穿电场强度高、热稳定性好，还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点，可以用来制造各种耐高温的高频、高效大功率器件，应用于硅器件难以胜任的场合。

“10倍于硅材料的击穿电场、3倍于硅材料的热导率、3倍于硅材料的带隙宽度，简单地说，这就是碳化硅材料的优越性。”张玉明举例说，碳化硅半导体器件的运用，可以将一个变电站的体积缩小至一个手提箱的大小，同时还能在更高温度和更高电压及频率的环境下正常工作，消耗更少的电力。

为什么有这种显著的效果呢？张玉明说，一是因为碳化硅半导体器件的高耐受电压，可以减少高压应用时的串联器件数，大大简化设备和系统；二是因为其耐高温特性，可以降低冷却装备的容量，大幅提高设备稳定性；三是因为其高频特性，可以减小开关器件的开通和关断损耗，提高电力传送效率。

据介绍，碳化硅半导体已经成为近年来国际研究的热点。2013年，日本政府将碳化硅纳入“首相战略”，认为未来50%的节能要通过它来实现。2014年初，奥巴马亲自主导成立了美国碳化硅产业联盟，以碳化硅半导体为代表的第三代宽禁带半导体，获得了美国联邦和地方政府的合力支持。

致力于碳化硅半导体领域研究20年

据介绍，西安电子科技大学微电子学院张玉明教授团队，从1995年开始就在国内率先开展了碳化硅半导体材料与器件的研究工作，其研究水平一直处于国内领先地位。

研究团队曾成功研制了国内第一个MPS二极管、国内第一个碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管和国内第一个增强型碳化硅埋沟金属氧化物半导体场效应晶体管。目前，实验室可以生长2-3英寸碳化硅外延材料，满足高功率碳化硅器件制备的要求。

“我们目前从事碳化硅半导体研究的团队，共有9名教师、20余名博士和50余名硕士。可以说，在碳化硅研究领域，我们的研究团队在国内是规模最大、程度最深、水平最高的。”张玉明说，他们近年来在国家重大专项、教育重大支撑计划等项目支持下，研究团队已经在碳化硅基础理论、外延材料生长和功率器件领域取得显著进展，发表了一系列高水平论文。

张玉明介绍说，这次自主研发的两类高性能高压碳化硅晶体管，主要突破了电场调制终端保护技术、栅介质界面改善技术、有源区版图优化架构设计等多项关键技术。

“值得一提的是，击穿电压超过6000V的硅结型式垒肖特基二极管，无论在国内市场还是在国际市场上，是有钱也买不到的，因为别人不出口。更重要的是，我们研发的这类晶体管，是一个系列产品，能够满足不同状态下的使用要求。”张玉明说。“目前，我们正在和公司积极开展合作，未来产品有望突破国外相关单位在高端电力电子芯片领域的垄断地位。”

碳化硅功率器件应用前景和市场潜力巨大

据市场调研机构IHS公司在《SiC和GaN功率半导体世界市场-2014版》报告中指出，受到混合和电动汽车、光伏逆变器和其他应用对电力供应需求增长的激励，全球碳化硅和氮化镓功率半导体新兴市场在未来10年将增长17倍，从2013年的1.5亿美元增长到2023年的25亿美元。

张玉明说，碳化硅功率器件能够广泛应用于电力推动、新能源汽车、轨道交通、家电、智能电网、太阳能、风力发电、电压转换等领域，实现能源转换系统性能的颠覆性的转变，对国家节能降耗起到重大作用。

一方面应用前景广市场潜力巨大，另一方面也是一场各国之间的技术竞赛。张玉明介绍说，半导体碳化硅衬底及芯片，具有重要的战略价值，一直是美国商务部规定的处于榜首的禁运产品，亟待打破这种垄断局面。

在谈到碳化硅半导体器件当前的应用时，张玉明介绍说，由于高压大电流需要更厚的外延层和更大的芯片面积，导致了碳化硅半导体器件目前的成品率不高，加之碳化硅制备工艺难度大，碳化硅半导体器件目前的价格，与硅半导体器件还存在一定距离。“不过，随着技术不断进步，碳化硅器件的前景很广阔，未来的价格有望继续降低。”

来源：西电新闻网