碳化硅由于化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好，除作磨料用外，還有很多其他用途，例如：以特殊工藝把碳化硅粉末涂布于水輪機(jī)葉輪或汽缸體的內(nèi)壁，可提高其耐磨性而延長使用壽命1～2倍；用以制成的高級耐火材料，耐熱震、體積小、重量輕而強(qiáng)度高，節(jié)能效果好。低品級碳化硅（含SiC約85%）是極好的脫氧劑，用它可加快煉鋼速度，并便于控制化學(xué)成分，提高鋼的質(zhì)量。此外，碳化硅還大量用于制作電熱元件硅碳棒。

 

碳化硅的硬度很大,莫氏硬度為9.5級，僅次于世界上最硬的金剛石（10級），具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，是一種半導(dǎo)體，高溫時能抗氧化。

 

 

 

到現(xiàn)在已經(jīng)有很多廠商生產(chǎn)碳化硅器件比如Cree公司、Microsemi公司、Infineon公司、Rohm公司。

 

 

碳化硅（SiC）是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料，世界各國對SiC的研究非常重視，紛紛投入大量的人力物力積極發(fā)展，美國、歐洲、日本等不僅從國家層面上制定了相應(yīng)的研究規(guī)劃，而且一些國際電子業(yè)巨頭也都投入巨資發(fā)展碳化硅半導(dǎo)體器件。

 

與普通硅相比，采用碳化硅的元器件有如下特性：

 

 

 

 

 

 

 

在Si材料已經(jīng)接近理論性能極限的今天，SiC功率器件因其高耐壓、低損耗、高效率等特性，一直被視為“理想器件”而備受期待。然而，相對于以往的Si材質(zhì)器件，SiC功率器件在性能與成本間的平衡以及其對高工藝的需求，將成為SiC功率器件能否真正普及的關(guān)鍵。

 

目前,低功耗的碳化硅器件已經(jīng)從實驗室進(jìn)入了實用器件生產(chǎn)階段。目前碳化硅圓片的價格還較高,其缺陷也多。通過不斷的研究開發(fā),預(yù)計到2010年前后,碳化硅器件將主宰功率器件的市場。但實際上并非如此。

 

 

 

 

 

SiC-MOSFET 是碳化硅電力電子器件研究中最受關(guān)注的器件。成果比較突出的就是美國的Cree公司和日本的ROHM公司。

 

在Si材料已經(jīng)接近理論性能極限的今天，SiC功率器件因其高耐壓、低損耗、高效率等特性，一直被視為“理想器件”而備受期待。然而，相對于以往的Si材質(zhì)器件，SiC功率器件在性能與成本間的平衡以及其對高工藝的需求，將成為SiC功率器件能否真正普及的關(guān)鍵。

 

 

碳化硅MOSFET（SiC MOSFET）N+源區(qū)和P井摻雜都是采用離子注入的方式，在1700℃溫度中進(jìn)行退火激活。另一個關(guān)鍵的工藝是碳化硅MOS柵氧化物的形成。由于碳化硅材料中同時有Si和C兩種原子存在，需要非常特殊的柵介質(zhì)生長方法。其溝槽星結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢如下：

 

 

 

SiC-MOSFET采用溝槽結(jié)構(gòu)可最大限度地發(fā)揮SiC的特性。

 

 

 

硅IGBT在一般情況下只能工作在20kHz以下的頻率。由于受到材料的限制，高壓高頻的硅器件無法實現(xiàn)。碳化硅MOSFET不僅適合于從600V到10kV的廣泛電壓范圍，同時具備單極型器件的卓越開關(guān)性能。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET在開關(guān)電路中不存在電流拖尾的情況具有更低的開關(guān)損耗和更高的工作頻率。

 

20kHz的碳化硅MOSFET模塊的損耗可以比3kHz的硅IGBT模塊低一半， 50A的碳化硅模塊就可以替換150A的硅模塊。顯示了碳化硅MOSFET在工作頻率和效率上的巨大優(yōu)勢。

 

碳化硅MOSFET寄生體二極管具有極小的反向恢復(fù)時間trr和反向恢復(fù)電荷Qrr。如圖所示，同一額定電流900V的器件，碳化硅MOSFET 寄生二極管反向電荷只有同等電壓規(guī)格硅基MOSFET的5%。對于橋式電路來說（特別當(dāng)LLC變換器工作在高于諧振頻率的時候），這個指標(biāo)非常關(guān)鍵，它可以減小死區(qū)時間以及體二極管的反向恢復(fù)帶來的損耗和噪音，便于提高開關(guān)工作頻率。

 

 

 

碳化硅MOSFET模塊在光伏、風(fēng)電、電動汽車及軌道交通等中高功率電力系統(tǒng)應(yīng)用上具有巨大的優(yōu)勢。碳化硅器件的高壓高頻和高效率的優(yōu)勢，可以突破現(xiàn)有電動汽車電機(jī)設(shè)計上因器件性能而受到的限制，這是目前國內(nèi)外電動汽車電機(jī)領(lǐng)域研發(fā)的重點。如電裝和豐田合作開發(fā)的混合電動汽車（HEV）、純電動汽車（EV）內(nèi)功率控制單元（PCU），使用碳化硅MOSFET模塊，體積比減小到1/5。三菱開發(fā)的EV馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)，使用SiC MOSFET模塊，功率驅(qū)動模塊集成到了電機(jī)內(nèi)，實現(xiàn)了一體化和小型化目標(biāo)。預(yù)計在2018年-2020年碳化硅MOSFET模塊將廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外的電動汽車上。

 

 

碳化硅肖特基二極管

 

 

碳化硅肖特基二極管（SiC SBD）的器件采用了結(jié)勢壘肖特基二極管結(jié)構(gòu)（JBS），可以有效降低反向漏電流，具備更好的耐高壓能力。

 

 

碳化硅肖特基二極管是一種單極型器件，因此相比于傳統(tǒng)的硅快恢復(fù)二極管（Si FRD），碳化硅肖特基二極管具有理想的反向恢復(fù)特性。在器件從正向?qū)ㄏ蚍聪蜃钄噢D(zhuǎn)換時，幾乎沒有反向恢復(fù)電流（如圖1.2a），反向恢復(fù)時間小于20ns，甚至600V10A的碳化硅肖特基二極管的反向恢復(fù)時間在10ns以內(nèi)。因此碳化硅肖特基二極管可以工作在更高的頻率，在相同頻率下具有更高的效率。另一個重要的特點是碳化硅肖特基二極管具有正的溫度系數(shù)，隨著溫度的上升電阻也逐漸上升，這與硅FRD正好相反。這使得碳化硅肖特基二極管非常適合并聯(lián)實用，增加了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

 

概括碳化硅肖特基二極管的主要優(yōu)勢，有如下特點：

 

 

 

碳化硅肖特基二極管可廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、功率因素校正（PFC）電路、不間斷電源（UPS）、光伏逆變器等中高功率領(lǐng)域，可顯著的減少電路的損耗，提高電路的工作頻率。在PFC電路中用碳化硅SBD取代原來的硅FRD，可使電路工作在300kHz以上，效率基本保持不變，而相比下使用硅FRD的電路在100kHz以上的效率急劇下降。隨著工作頻率的提高，電感等無源原件的體積相應(yīng)下降，整個電路板的體積下降30%以上。

 

 

幾乎凡能讀到的文章都是這樣介紹碳化硅：
 

碳化硅的能帶間隔為硅的2.8倍(寬禁帶),達(dá)到3.09電子伏特。其絕緣擊穿場強(qiáng)為硅的5.3倍,高達(dá)3.2MV/cm.其導(dǎo)熱率是硅的3.3倍,為49w/cm.k。由碳化硅制成的肖特基二極管及MOS場效應(yīng)晶體管,與相同耐壓的硅器件相比,其漂移電阻區(qū)的厚度薄了一個數(shù)量級。其雜質(zhì)濃度可為硅的2個數(shù)量級。由此,碳化硅器件的單位面 積的阻抗僅為硅器件的100分之一。它的漂移電阻幾乎就等于器件的全部電阻。因而碳化硅器件的發(fā)熱量極低。這有助于減少傳導(dǎo)和開關(guān)損耗，工作頻率一般也要比硅器件高10倍以上。此外，碳化硅半導(dǎo)體還有的固有的強(qiáng)抗輻射能力。

 

近年利用碳化硅材料制作的IGBT(絕緣柵雙極晶體管)等功率器件,已可采用少子注入等工藝,使其通態(tài)阻抗減為通常硅器件的十分之一。再加上碳化硅器件本身發(fā)熱量小,因而碳化硅器件的導(dǎo)熱性能極優(yōu)。還有,碳化硅功率器件可在400℃的高溫下正常工作。其可利用體積微小的器件控制很大的電流。工作電壓也高得多。

 

 

1，技術(shù)參數(shù)：舉例來說，肖特基二極管電壓由250伏提高到1000伏以上，芯片面積小了，但電流只有幾十安。工作溫度提高到180℃，離介紹能達(dá)600℃相差很遠(yuǎn)。壓降更不盡人意，與硅材料沒有差別，高的正向壓降要達(dá)到2V。

 

2，市場價格：約為硅材料制造的5到6倍。

 

 

綜合各種報道，難題不在芯片的原理設(shè)計，特別是芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計解決好并不難。難在實現(xiàn)芯片結(jié)構(gòu)的制作工藝。

 

舉例如下：

 

1，碳化硅晶片的微管缺陷密度。微管是一種肉眼都可以看得見的宏觀缺陷，在碳化硅晶體生長技術(shù)發(fā)展到能徹底消除微管缺陷之前，大功率電力電子器件就難以用碳化硅來制造。盡管優(yōu)質(zhì)晶片的微管密度已達(dá)到不超過15cm-2 的水平。但器件制造要求直徑超過100mm的碳化硅晶體，微管密度低于0.5cm-2 。

 

2，外延工藝效率低。碳化硅的氣相同質(zhì)外延一般要在1500℃以上的高溫下進(jìn)行。由于有升華的問題，溫度不能太高，一般不能超過1800℃，因而生長速率較低。液相外延溫度較低、速率較高，但產(chǎn)量較低。

 

3，摻雜工藝有特殊要求。如用擴(kuò)散方法進(jìn)行慘雜，碳化硅擴(kuò)散溫度遠(yuǎn)高于硅，此時掩蔽用的SiO2層已失去了掩蔽作用，而且碳化硅本身在這樣的高溫下也不穩(wěn)定，因此不宜采用擴(kuò)散法摻雜，而要用離子注入摻雜。如果p型離子注入的雜質(zhì)使用鋁。由于鋁原子比碳原子大得多，注入對晶格的損傷和雜質(zhì)處于未激活狀態(tài)的情況都比較嚴(yán)重，往往要在相當(dāng)高的襯底溫度下進(jìn)行，并在更高的溫度下退火。這樣就帶來了晶片表面碳化硅分解、硅原子升華的問題。目前，p型離子注入的問題還比較多，從雜質(zhì)選擇到退火溫度的一系列工藝參數(shù)都還需要優(yōu)化。

 

4，歐姆接觸的制作。歐姆接觸是器件電極引出十分重要的一項工藝。在碳化硅晶片上制造金屬電極，要求接觸電阻低于10- 5Ωcm2，電極材料用Ni和Al可以達(dá)到，但在100℃ 以上時熱穩(wěn)定性較差。采用Al/Ni/W/Au復(fù)合電極可以把熱穩(wěn)定性提高到600℃、100h ，不過其接觸比電阻高達(dá)10- 3Ωcm2 。所以要形成好的碳化硅的歐姆接觸比較難。

 

5，配套材料的耐溫。碳化硅芯片可在600℃溫度下工作，但與其配套的材料就不見得能耐此高溫。例如，電極材料、焊料、外殼、絕緣材料等都限制了工作溫度的提高。

 

以上僅舉數(shù)例，不是全部。還有很多工藝問題還沒有理想的解決辦法，如碳化硅半導(dǎo)體表面挖槽工藝、終端鈍化工藝、柵氧層的界面態(tài)對碳化硅MOSFET器件的長期穩(wěn)定性影響方面，行業(yè)中還有沒有達(dá)成一致的結(jié)論等，大大阻礙了碳化硅功率器件的快速發(fā)展。

 

 

早在20世紀(jì)60年代，碳化硅器件的優(yōu)點已經(jīng)為人們所熟知。之所以目前尚未推廣普及，是因為存在著許多包括制造在內(nèi)的許多技術(shù)問題。直到現(xiàn)在SIC材料的工業(yè)應(yīng)用主要是作為磨料（金剛砂）使用。

 

SIC在能夠控制的壓力范圍內(nèi)不會融化，而是在約2500℃的升華點上直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。所以SIC 單晶的生長只能從氣相開始，這個過程比SIC的生長要復(fù)雜的多，SI在大約1400℃左右就會熔化。使SIC技術(shù)不能取得商業(yè)成功的主要障礙是缺少一種合適的用于工業(yè)化生產(chǎn)功率半導(dǎo)體器件的襯底材料。對SI的情況,單晶襯底經(jīng)常指硅片（wafer）,它是從事生產(chǎn)的前提和保證。一種生長大面積 SIC襯底的方法以在20世紀(jì)70年代末研制成功。但是用改進(jìn)的稱為Lely方法生長的襯底被一種微管缺陷所困擾。

 

只要一根微管穿過高壓PN結(jié)就會破壞PN結(jié)阻斷電壓的能力，在過去三年中，這種缺陷密度已從每平方毫米幾萬根降到幾十根。除了這種改進(jìn)外，當(dāng)器件的最大尺寸被限制在幾個平方毫米時，生產(chǎn)成品率可能在大于百分之幾，這樣每個器件的最大額定電流為幾個安培。因此在SIC功率器件取得商業(yè)化成功之前需要對SIC的襯底材料作更大技術(shù)改進(jìn)。

 

 

 

制造不同器件成品率為40% 和90% 的微管密度值

 

上圖看出，現(xiàn)在SIC材料，光電子器件已滿足要求，已經(jīng)不受材料質(zhì)量影響，器件的工業(yè)生產(chǎn)成品率，可靠性等性能也符合要求。高頻器件主要包括MOSFET SCHOTTKY二極管內(nèi)的單極器件。SIC材料的微管缺陷密度基本達(dá)到要求，僅對成品率還有一定影響。高壓大功率器件用SIC材料大約還要二年的時間，進(jìn)一步改善材料缺陷密度?？傊徽摤F(xiàn)在存在什么困難，半導(dǎo)體如何發(fā)展， SIC無疑是新世紀(jì)一種充滿希望的材料。

 

 

第3代半導(dǎo)體是指以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、金剛石、氧化鋅（ZnO）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料，各類半導(dǎo)體材料的帶隙能比較見表1。與傳統(tǒng)的第1代、第2代半導(dǎo)體材料硅（Si）和砷化鎵（GaAs）相比，第3代半導(dǎo)體具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度高、介電常數(shù)小等獨特的性能，使其在光電器件、電力電子、射頻微波器件、激光器和探測器件等方面展現(xiàn)出巨大的潛力，是世界各國半導(dǎo)體研究領(lǐng)域的熱點。

 

 

 

目前，第3代半導(dǎo)體材料正在引起清潔能源和新一代電子信息技術(shù)的革命，無論是照明、家用電器、消費電子設(shè)備、新能源汽車、智能電網(wǎng)、還是軍工用品，都對這種高性能的半導(dǎo)體材料有著極大的需求。根據(jù)第3代半導(dǎo)體的發(fā)展情況，其主要應(yīng)用為半導(dǎo)體照明、電力電子器件、激光器和探測器、以及其他4個領(lǐng)域，每個領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)成熟度各不相同（見圖1）。

 

圖1. 第3代半導(dǎo)體各應(yīng)用領(lǐng)域示意圖

 

 

在4個應(yīng)用領(lǐng)域中，半導(dǎo)體照明行業(yè)發(fā)展最為迅速，已形成百億美元的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。半導(dǎo)體照明所使用的材料體系主要分為3種：藍(lán)寶石基GaN、SiC基GaN、Si基GaN，每種材料體系的產(chǎn)品都對應(yīng)不同的應(yīng)用。其中，藍(lán)寶石基GaN是最常用的，也是最為成熟的材料體系，大部分LED照明都是通過這種材料體系制造的。SiC基GaN制造成本較高，但由于散熱較好，非常適合制造低能耗、大功率照明器件。Si基GaN是3種材料體系中制造成本最低的，適用于低成本顯示。

 

 

在電力電子領(lǐng)域，寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用剛剛起步，市場規(guī)模僅為幾億美元。其應(yīng)用主要集中在軍事尖端裝備領(lǐng)域，正逐步向民用領(lǐng)域拓展。微波器件方面，GaN高頻大功率微波器件已開始用于軍用雷達(dá)、智能武器和通信系統(tǒng)等方面。在未來，GaN微波器件有望用于4G～5G移動通訊基站等民用領(lǐng)域。功率器件方面，GaN和SiC兩種材料體系的應(yīng)用領(lǐng)域有所區(qū)別。Si基GaN器件主要的應(yīng)用領(lǐng)域為中低壓（200～1 200V）， 如筆記本、高性能服務(wù)器、基站的開關(guān)電源；而SiC基GaN則集中在高壓領(lǐng)域（＞1 200V），如太陽能發(fā)電、新能源汽車、高鐵運輸、智能電網(wǎng)的逆變器等器件。

 

 

在激光器和探測器應(yīng)用領(lǐng)域，GaN基激光器可以覆蓋到很寬的頻譜范圍，實現(xiàn)藍(lán)、綠、紫外激光器和紫外探測的制造。紫色激光器可用于制造大容量光盤，其數(shù)據(jù)存儲盤空間比藍(lán)光光盤高出20倍。除此之外，紫色激光器還可用于醫(yī)療消毒、熒光激勵光源等應(yīng)用，總計市場容量為12億美元。藍(lán)色激光器可以和現(xiàn)有的紅色激光器、倍頻全固化綠色激光器一起，實現(xiàn)全真彩顯示，使激光電視實現(xiàn)廣泛應(yīng)用。目前，藍(lán)色激光器和綠光激光器產(chǎn)值約為2億美元，如果技術(shù)瓶頸得到突破，潛在產(chǎn)值將達(dá)到500億美元。GaN基紫外探測器可用于導(dǎo)彈預(yù)警、衛(wèi)星秘密通信、各種環(huán)境監(jiān)測、化學(xué)生物探測等領(lǐng)域，但尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

 

 

在前沿研究領(lǐng)域，寬禁帶半導(dǎo)體可用于太陽能電池、生物傳感器、水制氫媒介、及其他一些新興應(yīng)用，目前這些熱點領(lǐng)域還處于實驗室研發(fā)階段。

 

在以上4個應(yīng)用領(lǐng)域中，半導(dǎo)體照明和電力電子器件2個領(lǐng)域成為了2014年初關(guān)注焦點。前者是因為美國“白熾燈”禁令于2014年1月1日開始實施，停止銷售市場最暢銷的40W和60W白熾燈，此舉旨在推廣緊湊型熒光燈、LED燈和其他高能效比節(jié)能燈泡。隨著世界各國相繼出臺全面淘汰白熾燈的政策法規(guī)，預(yù)計2014年將成為半導(dǎo)體照明近期發(fā)展最快的一年。后者是受到美國政府“國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”計劃的影響。2014年1月15日，奧巴馬總統(tǒng)宣布成立“新一代電力電子器件國家制造創(chuàng)新中心”，在未來5年內(nèi)，該中心通過美國能源部投資7 000萬美元，帶動企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)投入7 000萬美元以上匹配資金，致力于研發(fā)和制造高性能并具有價格競爭優(yōu)勢的半導(dǎo)體電力電子器件。中心將由美國北卡羅來納州立大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)，會同阿西布朗勃法瑞公司（ABB）、科銳公司（Cree, Inc）、射頻微器件公司（RF Mico Devices, Inc.）、臺達(dá)公司（Delta Products Inc.）、阿肯色電力電子國際公司（Arkansas Power Electronics International, Inc.）、東芝國際公司（Toshiba International Corporation）、美國海軍研究實驗室（U.S. Naval Research Laboratory）等超過25家公司、大學(xué)及政府機(jī)構(gòu)，此舉將極大地加速寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件在民用領(lǐng)域的應(yīng)用，并引發(fā)全球的關(guān)注?；谶@些原因，本文將重點對上述2個領(lǐng)域近期的發(fā)展情況進(jìn)行進(jìn)一步的介紹。

 

 

隨著照明科技的不斷進(jìn)步，半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）作為一種固體照明光源，以其高光效、長壽命、節(jié)能環(huán)保、應(yīng)用廣泛等諸多優(yōu)勢，正在逐步替代傳統(tǒng)的白熾燈，成為繼白熾燈、熒光燈之后的又一次光源革命。LED燈比傳統(tǒng)的白熾燈發(fā)光效率高80%左右，壽命長2倍，且不含汞、鉛等有害物質(zhì)，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。根據(jù)美國能源部研究報告，一個價值15美元的LED燈，在其生命周期內(nèi)，將比白熾燈節(jié)省超過140美元的電費。

 

近年來，隨著LED發(fā)光效率的大幅度提升，單位流明的價格逐步下降，各類創(chuàng)新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，照明質(zhì)量不斷提高。其應(yīng)用已從最初的指示燈，逐步拓展到室內(nèi)照明、舞臺照明、景觀照明等各個照明領(lǐng)域。目前，照明耗能約占整個電力消耗的20%左右，降低照明用電已成為節(jié)省能源的重要途徑。為此，發(fā)達(dá)國家紛紛宣布白熾燈淘汰計劃，積極推廣LED照明，應(yīng)對逐年的全球溫室效應(yīng)。美國、歐盟、日本、加拿大、澳大利亞、韓國等國相繼宣布停止銷售白熾燈。我國也將于2012-2016年，逐步淘汰白熾燈。

 

 

美國是半導(dǎo)體照明技術(shù)的領(lǐng)跑者，一直處于技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)先地位。為了減少照明電力的能源消耗，緩解能源枯竭，美國能源局自2000年就開始推動固態(tài)照明技術(shù)研究，逐步實現(xiàn)固態(tài)照明對傳統(tǒng)照明的替代。隨后，奧巴馬的“美國能源新政”把發(fā)展新能源和可再生能源、提高能源使用效能、推動能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整作為促進(jìn)美國經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇和創(chuàng)造就業(yè)最重要的舉措。半導(dǎo)體照明技術(shù)被認(rèn)為是能源應(yīng)用領(lǐng)域中重要的技術(shù)創(chuàng)新之一，在美國能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型中發(fā)揮重要作用。

 

美國能源部的固態(tài)照明發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃共獲得美國國會2.98 億美元的撥款，資助了超過200個研究項目。此計劃取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益，根據(jù)相關(guān)研究報道，2012年LED燈為美國節(jié)省了71萬億BTU(英國熱量單位)，相當(dāng)于節(jié)省了6.75億美元的能源開支。預(yù)計2030 年美國 LED照明的普及能夠?qū)⒛茉聪墓?jié)省近半，2010-2030年期間所節(jié)省的累計電量將達(dá)2 700TWh，相當(dāng)于剩下2 500億美元的開銷，也等同于18億t二氧化碳排放量（見圖2）。

 

除美國以外，其他發(fā)達(dá)國家也積極推動LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。日本早在1998年就推出了“21世紀(jì)光計劃”，投入60億日元用于開發(fā)白光LED照明光源，計劃在2020年實現(xiàn)100%的照明產(chǎn)品為新一代高效率照明。歐洲則于2000年開始的“彩虹計劃”，通過歐盟補(bǔ)貼來推廣LED的應(yīng)用。在隨后推出的“地平線2020”計劃中，固體照明和OLED都被囊括其中，光電子領(lǐng)域的投入將達(dá)到7億歐元。韓國在2002年提出“GaN半導(dǎo)體開發(fā)計劃”，國家投入1億美元推動LED照明發(fā)展。在隨后的“15/30計劃”中，又投入50億韓元經(jīng)費，進(jìn)行LED照明的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范擬定作業(yè)，并規(guī)劃在2015年前將境內(nèi)30%的照明淘汰換成LED照明。

 

圖2 美國能源部LED照明預(yù)測圖

 

 

我國LED產(chǎn)業(yè)起步于20世紀(jì)70年代，發(fā)展迅速。在政府的大力扶持下，經(jīng)過30多年的發(fā)展，已經(jīng)初步形成了外延片、芯片、封裝及產(chǎn)品應(yīng)用完成產(chǎn)業(yè)鏈，成為全球照明產(chǎn)業(yè)變革中轉(zhuǎn)型升級發(fā)展最快的區(qū)域之一。通過科技部推出的“十城萬盞”半導(dǎo)體照明應(yīng)用示范工程，截至2011年底，已經(jīng)有420萬盞以上LED燈具得到示范應(yīng)用，實現(xiàn)年節(jié)電4.2億kWh。根據(jù)國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CSA）的最新數(shù)據(jù)顯示，2013年，我國功率型白光LED產(chǎn)業(yè)化光效達(dá)140 lm/W，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的功率型硅基LED 芯片產(chǎn)業(yè)化光效達(dá)到130 lm/W，芯片的國產(chǎn)化率達(dá)到75% 。

 

2013 年，我國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)整體規(guī)模達(dá)到2 576 億元，較2012 年的1 920 億元增長34%。其中上游外延芯片生產(chǎn)產(chǎn)值規(guī)模達(dá)到105億元，增長率為31.5%；中游封裝產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到403 億元，增長率為26%；下游應(yīng)用領(lǐng)域整體規(guī)模達(dá)到2 068 億元，增長率達(dá)到36%。根據(jù)聯(lián)盟預(yù)計，2014 年，國內(nèi)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)將繼續(xù)保持高速增長，預(yù)計增長率達(dá)到40%左右。外延芯片產(chǎn)值增長率預(yù)計達(dá)到35%左右，封裝產(chǎn)業(yè)預(yù)計增速在20%左右，應(yīng)用環(huán)節(jié)產(chǎn)值增長率超過50%。

 

 

現(xiàn)階段LED燈的整體發(fā)光效率可達(dá)130～160 lm/W，已經(jīng)具有取代傳統(tǒng)照明市場實力，預(yù)計發(fā)光效率還將快速提升，2015年將達(dá)到160～190 lm/W，2020年將達(dá)到235 lm/W左右（見表2）。目前，制約LED大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵仍然是價格因素。雖然在過去的5年中，LED照明產(chǎn)品的售價有了大幅度的下降，但和普通的節(jié)能燈相比仍不具備價格優(yōu)勢（見圖3）。近幾年來，隨著生產(chǎn)成本下降和資本大量流入的影響，這種局面開始產(chǎn)生變化，LED照明與傳統(tǒng)照明產(chǎn)品之間的價格差距正在逐漸縮小。2013年末到2014年初，在許多國家和區(qū)域，無論是取代40W或是60W的LED燈最低售價都已經(jīng)跌破10美元，全球這兩種LED燈平均價格也分別下降到15美元和21美元的低位。許多人認(rèn)為10美元的價格區(qū)間將是家庭住宅大規(guī)模選擇使用LED燈具的一個關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點，因此2014年很有可能將成為LED照明需求快速增長的一年，成為LED照明產(chǎn)品的拐點年。預(yù)計2014年LED照明滲透率也將由8%～10%提升至32.7%，LED照明市場產(chǎn)值達(dá)到為353億美元，較2013年成長 47.8%。到2020年，全球LED照明市場份額有望增長到840億美元。

 

圖3 取代60W的LED球泡燈價格預(yù)期

 

 

在20世紀(jì)，硅基半導(dǎo)體電力電子器件被廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、通信和能源等行業(yè)，為人們帶來了各種強(qiáng)大的電子設(shè)備，深刻地改變著每一個人的生活，在過去的幾十年中一直推動著科學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展。隨著硅基電力電子器件逐漸接近其理論極限值，利用寬禁帶半導(dǎo)體材料制造的電力電子器件顯示出比Si和GaAs更優(yōu)異的特性，給電力電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了新的生機(jī)。相對于Si材料，使用寬禁帶半導(dǎo)體材料制造新一代的電力電子元件，可以變得更小、更快、更可靠和更高效。這將減少電力電子元件的質(zhì)量、體積以及生命周期成本，允許設(shè)備在更高的溫度、電壓和頻率下工作，使得電子電子器件使用更少的能量卻可以實現(xiàn)更高的性能?；谶@些優(yōu)勢，寬禁帶半導(dǎo)體在家用電器、電力電子設(shè)備、新能源汽車、工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備、高壓直流輸電設(shè)備、移動電話基站等系統(tǒng)中都具有廣泛的應(yīng)用前景。

 

 

最初，針對禁帶半導(dǎo)體的研究與開發(fā)主要是為了滿足軍事國防方面的需求。早在1987年，美國政府和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)就促成了科銳公司（Cree）的成立，專門從事SiC半導(dǎo)體的研究。隨后，美國國防部和能源部先后啟動了“寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)計劃”和“氮化物電子下一代技術(shù)計劃”，積極推動SiC和GaN寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。美國政府一系列的部署引發(fā)了全球范圍內(nèi)的激烈競爭，歐洲和日本也相繼開展了相關(guān)研究。歐洲開展了面向國防和商業(yè)應(yīng)用的“KORRIGAN”計劃和面向高可靠航天應(yīng)用的“GREAT2”計劃。日本則通過“移動通訊和傳感器領(lǐng)域半導(dǎo)體器件應(yīng)用開發(fā)”、“氮化鎵半導(dǎo)體低功耗高頻器件開發(fā)”等計劃推動第3代半導(dǎo)體在未來通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。經(jīng)過多年的發(fā)展，發(fā)達(dá)國家在寬禁帶半導(dǎo)體材料、器件及系統(tǒng)的研究上取得了豐碩的成果，實現(xiàn)了在軍事國防領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

 

由于SiC和GaN兩種材料的特性不同，它們的應(yīng)用領(lǐng)域也有所區(qū)別：GaN主要是用作微波器件，而SiC主要是作為大功率高頻功率器件。GaN材料的功率密度是現(xiàn)有GaAs器件的10倍，是制造微波器件的理想材料，被應(yīng)用于雷達(dá)、電子對抗、智能化系統(tǒng)及火控裝備，用來提高雷達(dá)性能和減小體積。根據(jù)報道，美國海軍新一代干擾機(jī)吊艙、空中和導(dǎo)彈防御雷達(dá)AMDR正在采用GaN來替代GaAs 器件，以取代洛馬公司的SPY-1相控陣?yán)走_(dá)（宙斯盾系統(tǒng)核心雷達(dá)）。SiC則應(yīng)用于高壓、高溫、強(qiáng)輻照等惡劣條件下工作的艦艇、飛機(jī)及智能武器電磁炮等眾多軍用電子系統(tǒng)，起到抵抗極端環(huán)境和降低能耗的作用。美國新型航空母艦CVN-21級福特號配備的4個電磁彈射系統(tǒng)均靠電力驅(qū)動，能在300英尺的距離內(nèi)把飛機(jī)速度提高到160海里/h。其區(qū)域配電系統(tǒng)采用全SiC器件為基礎(chǔ)的固態(tài)功率變電站，這使得每個變壓器的質(zhì)量從6t減少為1.7t，體積從10m3減少為2.7m3。

 

 

隨著在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用逐步成熟，寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用開始逐步拓展到民用應(yīng)用領(lǐng)域，其節(jié)能效應(yīng)也將惠及到國民經(jīng)濟(jì)的方方面面。近年來，信息技術(shù)在原有基礎(chǔ)上又得到快速發(fā)展，大量的以新技術(shù)為基礎(chǔ)的新產(chǎn)品、新應(yīng)用正在迅速普及，所帶來的電力電子設(shè)備的能源消耗量也快速增長。根據(jù)預(yù)測，美國電力電子設(shè)備用電量占總量的比例將從2005年的30%增長到2030年的80%。半導(dǎo)體在節(jié)能領(lǐng)域中應(yīng)用最多就是功率器件，絕大多數(shù)電子產(chǎn)品都會使用到一顆或多顆功率器件產(chǎn)品。寬禁帶半導(dǎo)體的帶隙明顯大于硅半導(dǎo)體，從而可有效減小電子跨越的鴻溝，減少能源損耗。其相關(guān)器件的推廣應(yīng)用將給工業(yè)電機(jī)系統(tǒng)、消費類電子產(chǎn)品、新能源等領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)的影響（見圖4）。

 

圖4 寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域示意圖

 

（1）工業(yè)電機(jī)系統(tǒng)

 

在傳統(tǒng)工業(yè)控制領(lǐng)域，交流電機(jī)控制、工業(yè)傳動裝置、機(jī)車與列車用電源以及供暖系統(tǒng)傳動裝置等都需要功率器件。對于工業(yè)電機(jī)系統(tǒng)來說，更高效、更緊湊的寬禁帶半導(dǎo)體變頻驅(qū)動器可使電機(jī)的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整，這將使得泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)及空調(diào)系統(tǒng)所用的各類驅(qū)動電機(jī)變得更加高效、節(jié)能。根據(jù)報道，在美國，電機(jī)系統(tǒng)用電量占制造業(yè)的70%左右，通過使用寬禁帶半導(dǎo)體變頻驅(qū)動器，美國每年直接節(jié)省的電力相當(dāng)于100萬戶美國家庭用電的年消耗量。隨著寬禁帶半導(dǎo)體變頻驅(qū)動器的應(yīng)用逐步擴(kuò)展，最終節(jié)省的電力可供690萬戶美國家庭使用。

 

（2）消費電子產(chǎn)品

 

消費電子產(chǎn)品將是寬禁帶半導(dǎo)體應(yīng)用的另一大領(lǐng)域。目前，家庭擁有的電器總量驚人，各類家電通常都需要各種不同的功率器件控制；公共場所空調(diào)、照明、裝飾、顯示、計算機(jī)、自動控制等也需要大量的功率器件。筆記本電腦、智能手機(jī)、平板電腦、計算機(jī)和服務(wù)器等消費電子產(chǎn)品所使用的電源轉(zhuǎn)換器雖然單個能耗不大，但其使用數(shù)量龐大，損耗總和相當(dāng)驚人。寬禁帶半導(dǎo)體芯片可以消除整流器在進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換時90%的能量損失，還可以使筆記本電源適配器體積縮小80%。通過使用寬禁帶半導(dǎo)體，美國在此領(lǐng)域節(jié)約的電力可供130萬戶美國家庭使用。

 

（3）新能源領(lǐng)域

 

為了擺脫對化石燃料的依賴、減少溫室氣體的排放，各國政府都開始大力發(fā)展可再生能源產(chǎn)業(yè)。太陽能發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的電力需要從直流電源轉(zhuǎn)換成交流電，繼而才能與電網(wǎng)相連接使用。由于風(fēng)能的不穩(wěn)定性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出非固定頻率的交流電，需要進(jìn)行交-直-交的轉(zhuǎn)換才能并網(wǎng)使用。寬禁帶半導(dǎo)體逆變器可以使得這個過程的效率更高，美國每年節(jié)省的電力足夠供美國75萬戶家庭使用。此外，對于智能電網(wǎng)來說，使用寬禁帶半導(dǎo)體制成的逆變器、變壓器和晶體管等，有助于克服發(fā)電、輸電、配電及終端使用所面臨的一系列問題，幫助建立一個更智能、更可靠、更具彈性的新一代電網(wǎng)。例如，一個寬禁帶半導(dǎo)體逆變器，其性能是傳統(tǒng)逆變器性能的4倍，同時成本和質(zhì)量分別減少50%和25%。對于較大規(guī)模的逆變器，寬禁帶半導(dǎo)體逆變器的質(zhì)量可以減輕大約3 600kg。

 

在電動汽車和混合動力汽車領(lǐng)域，寬禁帶半導(dǎo)體可以把直流快充電站縮小到微波爐一樣大小，并減少2/3的電力損失。由于這些電子產(chǎn)品可以承受更高的工作溫度，可使得車輛冷卻系統(tǒng)的體積減少60%，甚至消除了二次液體冷卻系統(tǒng)。

 

 

基于寬禁帶半導(dǎo)體的廣闊應(yīng)用前景、巨大的市場需求和經(jīng)濟(jì)效益，繼半導(dǎo)體照明以后，美國將第三代半導(dǎo)體材料的電子電力器件應(yīng)用提升到國家戰(zhàn)略的高度，確保美國在這一領(lǐng)域的優(yōu)勢地位。相對于半導(dǎo)體照明行業(yè)，寬禁帶半導(dǎo)體在電子電力領(lǐng)域的應(yīng)用剛剛起步，但預(yù)計其潛在市場容量超過300億美元。

 

功率器件方面，2012年全球SiC和GaN基功率器件市場的銷售規(guī)模僅為1億多美元，大部分應(yīng)用集中在電源。其中，SiC基器件的市場規(guī)模達(dá)到9 000萬美元，而GaN基器件僅為1 000多萬。2013年，各大企業(yè)紛紛推出GaN功率器件樣品，這標(biāo)志著其在民用市場的商業(yè)化進(jìn)程開始加速。隨著價格下降和產(chǎn)量的增加，預(yù)計市場拐點或?qū)⒊霈F(xiàn)在2015年。SiC基器件的價格有望下降到2012年的一半左右，GaN基器件的價格也可能進(jìn)一步下降，屆時市場規(guī)模有望接近5億美元。2020年，市場規(guī)模將達(dá)到20億美元，相比2012年提高20倍。微波器件方面，2012年GaN基微波器件市場收入接近9 000萬美元，預(yù)計GaN整體市場微波及功率器件到2015年達(dá)到3.5億美元。

 

我國開展SiC和GaN材料及器件方面的研究工作比較晚，在科技部及軍事預(yù)研項目的支持下，取得了一定的成果，逐步縮小了與國外先進(jìn)技術(shù)的差距，在軍工領(lǐng)域已取得了一些應(yīng)用。但是，研究的主要成果還停留在實驗室階段，器件性能離國外的報道還有很大差距。目前，已有少數(shù)企業(yè)成功開發(fā)SiC和GaN材料及器件，GaN微波器件和SiC功率器件于2013年進(jìn)入小批量生產(chǎn)階段，預(yù)計在未來2～3年內(nèi)將實現(xiàn)量產(chǎn)。

 

來源：寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟。作者：于灝、蔡永香、卜雨洲、謝潛思

 

 

 

 

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