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目前,以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的第三代化合物半导体受到的关注度越来越高,它们在未来的大功率、高温、高压应用场合将发挥传统的硅器件无法实现的作用。特别是在未来三大新兴应用领域(汽车、5G和物联网)之一的汽车方面,会有非常广阔的发展前景。
然而,SiC和GaN并不是终点,最近,氧化镓(Ga2O3)再一次走入了人们的视野,凭借其比SiC和GaN更宽的禁带,该种化合物半导体在更高功率的应用方面具有独特优势。因此,近几年关于氧化镓的研究又热了起来。
实际上,氧化镓并不是很新的技术,多年前就有公司和研究机构对其在功率半导体领域的应用进行钻研,但就实际应用场景来看,过去不如SiC和GaN的应用面广,所以相关研发工作的风头都被后二者抢去了。而随着应用需求的发展愈加明朗,未来对高功率器件的性能要求越来越高,这使得人们更深切地看到了氧化镓的优势和前景,相应的研发工作又多了起来,已成为美国、日本、德国等国家的研究热点和竞争重点。而我国在这方面还是比较欠缺的。
氧化镓是一种宽禁带半导体,禁带宽度Eg=4.9eV,其导电性能和发光特性良好,因此,其在光电子器件方面有广阔的应用前景,被用作于Ga基半导体材料的绝缘层,以及紫外线滤光片。这些是氧化镓的传统应用领域,而其在未来的功率、特别是大功率应用场景才是更值得期待的。
虽然氧化镓的导热性能较差,但其禁带宽度(4.9eV)超过碳化硅(约3.4eV),氮化镓(约3.3eV)和硅(1.1eV)的。由于禁带宽度可衡量使电子进入导通状态所需的能量。采用宽禁带材料制成的系统可以比由禁带较窄材料组成的系统更薄、更轻,并且能应对更高的功率,有望以低成本制造出高耐压且低损失的功率元件。此外,宽禁带允许在更高的温度下操作,从而减少对庞大的冷却系统的需求。
日本的相关机构在氧化镓功率器件研究方面一直处于业界领先水平。早些年,日本信息通信研究机构(NICT)等研究小组使用Ga2O3试制了“MESFET”(metal-semiconductorfield effect transistor,金属半导体场效应晶体管)。尽管是未形成保护膜(钝化膜)的非常简单的构造,但试制品显示出了耐压高、漏电流小的特性。而使用SiC及GaN来制造相同构造的元件时,要想实现像试制品这样的特性,则是非常难的。
2012年,Ga2O3的结晶形态确认有α、β、γ、δ、ε五种,其中,β结构最稳定,当时,与Ga2O3的结晶生长及物性相关的研究报告大部分都使用β结构。
例如,单结晶构造的β-Ga2O3由于具有较宽的禁带,使其击穿电场强度很大,具体如下图所示。β-Ga2O3的击穿电场强度约为8MV/cm,是Si的20多倍,相当于SiC及GaN的2倍以上。
由图可以看出,β-Ga2O3的主要优势在于禁带宽度,但也存在着不足,主要表现在迁移率和导热率低,特别是导热性能是其主要短板。不过,相对来说,这些缺点对功率器件的特性不会有太大的影响,这是因为功率器件的性能主要取决于击穿电场强度。就β-Ga2O3而言,作为低损失性指标的“巴利加优值(Baliga’s figure of merit)”与击穿电场强度的3次方成正比、与迁移率的1次方成正比。因此,巴利加优值较大,是SiC的10倍、GaN的4倍。
由于β-Ga2O3的巴利加优值较高,因此,在制造相同耐压的单极功率器件时,元件的导通电阻比采用SiC或GaN的低很多。降低导通电阻有利于减少电源电路在导通时的电力损耗。使用β-Ga2O3的功率器件,不仅能减少导通时的电力损耗,还可降低开关时的损耗,因为在耐压1kV以上的高耐压应用方面,可以使用单极元件。
比如,设有利用保护膜来减轻电场向栅极集中的单极晶体管(MOSFET),其耐压可达到3k~4kV。而使用硅的线kV时就必须使用双极元件,即便使用耐压较高的SiC,在耐压为4kV时也必须使用双极元件。双极元件以电子和空穴为载流子,因此与只以电子为载流子的单极元件相比,在导通和截止的开关操作时,沟道内的载流子的产生和消失会耗费时间,损失容易变大。
在导热率方面,如果导热率低,功率器件很难在高温下工作。不过,实际应用中的工作温度一般不会超过250℃,因此,实际应用当中不会在这方面出现大的问题。而且封装有功率器件的模块和电源电路使用的封装材料、布线、焊锡、密封树脂等的耐热温度最高也不过250℃,因此,功率器件的工作温度也要控制在这一水平之下。
一直以来,中国在β-Ga2O3晶体材料和器件方面的研究相对落后,尤其是功率器件的研究很少,关键原因是受限于大尺寸、高质量β-Ga2O3晶体的获得。
2017年8月,我国同济大学物理科学与工程学院唐慧丽副教授、徐军教授团队采用自主知识产权的导模法技术,成功制备出2英寸高质量β-Ga2O3单晶。获得的高质量β-Ga2O3单晶,X射线a,该项研究成果将有力推动我国氧化镓基电力电子器件和探测器件的发展。
Masataka Higashiwaki 领导的 NICT 科研小组率先在 Ga2O3 器件中使用硅作为N型掺杂剂,但是科学界长期以来一直在为找到一种合适的P型掺杂剂而努力。今年早些时候,同一科研小组,公布了用氮(N)作为P型掺杂剂的可行性。他们最新的成果包括首次通过高能量掺杂剂引入工艺,即所谓的“离子注入”,整合硅与氮掺杂,设计出一个 Ga2O3 晶体管。
近期,美国佛罗里达大学、美国海军研究实验室和韩国大学的研究人员也在研究氧化镓MOSFET。佛罗里达大学材料科学与工程教授Stephen Pearton表示,它们正在研究氧化镓作为MOSFET的发展潜力。传统上,这些微型电子开关由硅制成,用于笔记本电脑、智能手机和其他电子产品。对于像电动汽车充电站这样的系统,我们需要能够在比硅基器件更高的功率水平下工作的MOSFET,而氧化镓可能就是解决方案。为了实现这些先进的MOSFET,该团队确定了需要改进栅极电介质,以及更有效地从器件中释放热量的热管理方法。
UnitedSiC(现名Qorvo)宣布推出具有业界出众品质因数的1200VSiC FET 2022年5月11日 – 移动应用、基础设施与航空航天、国防应用中 RF 解决方案的领先供应商 Qorvo® 今日宣布推出新一代1200V碳化硅(SiC)场效应晶体管(FET)系列,这些产品在导通电阻方面具备业界出众的性能表征。新的UF4C/SC系列1200VSiC FET非常适合主流的800V总线结构,这种结构常见于电动车车载充电器、工业电池充电器、工业电源、直流太阳能逆变器、焊机、不间断电源和感应加热应用。 UnitedSiC(即Qorvo) 功率器件总工程师Anup Bhalla称:“性能较高的产品扩充
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Wolfspeed 首席执行官 Gregg Lowe 与雅虎财经记者AKIKO FUJITA和JARED BLIKRE畅谈了Wolfspeed公司在品牌重塑以及与通用汽车公司建立新合作伙伴关系等诸多话题。 AKIKO FUJITA:前身为 Cree 的公司将以新名称 Wolfspeed 和股票代码 WOLF 在纽约证券交易所重新上市,该公司正处于四年过渡期,以重新聚焦其优先事项并在半导体领域加倍努力。 让我们介绍一下 Wolfspeed 的首席执行官 Gregg Lowe。对于贵公司来说无疑是非常激动人心的一天。和我谈谈你在公司内部经历的这种转变,以及为什么现在在全球短缺的时候看到了半导体领域的巨大机会。 GREGG
中国储能网讯 :2019年7月5日,南瑞继保的全碳化硅器件电子变压器在江苏省连云港一次成功带电并顺利投入运行。连云港连岛交直流配网项目是国网江苏省电力有限公司的科技项目,核心设备采用了PCS-9538电力电子变压器(PET)和PCS-9617微网协调控制系统(MGCC),满足了不同电压等级、不同容量的多种分布式能源组网和接入需求,提高了连岛供电的可靠性,解决了连岛外部电源单一、内部清洁能源联络互供受限的难题。 该项目的电力电子变压器使用了全碳化硅功率器件,作为连岛交直流配电网的核心枢纽,构建了区域能源互联网,实现了交流10kV、直流±750V、直流±375V、交流380V四端口多电压等级的交直流混供。配套的微网协调控制系统
氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 半导体现已量产并迅速扩大市场份额。 据市场研究公司 Yole 称,到 2027 年底,GaN 和 SiC 器件将占据功率半导体市场的 30%,取代硅 MOSFET 和 IGBT。 这是一个巨大的提升,需要更清楚地了解这些宽带隙 (WBG) 同类产品在基础设计技术、制造实践和目标应用方面的地位。 Navitas Semiconductor 企业营销副总裁 Stephen Oliver 承认,如今主流的三代半导体是 SiC,它在生产上领先 GaN 十年甚至更长时间。“这意味着电源设计工程师更熟悉它,”他说。“此外,它更像是一个标准组件,这意味着你可以随时用一个替换另一个。” Olive
的未来将怎样共存? /
7月5日,晶盛机电在投资者互动平台表示,公司的碳化硅长晶炉已成功生长出6英寸碳化硅晶体,同时8英寸碳化硅晶体生长已在研发中。 公司称,近年布局的第三代半导体材料碳化硅的研发取得关键进展,碳化硅外延设备已通过客户验证。同时在碳化硅晶体生长、切片、抛光环节规划建立测试线,以实现装备和工艺技术的领先,目前测试线进展顺利,设备分批进厂安装调试中。 晶盛机电表示,海康威视是公司重要的合作伙伴。根据公司2016年9月7日发布的公告,公司于2016年9月6日与杭州海康威视数字技术股份有限公司在杭州签署了《海康威视&晶盛机电战略合作协议》,双方本着优势互补、平等互利和长期合作的原则,共同决定在工业机器人、智能装备、智能物流、智慧物联工厂等领域展开
据中央纪委国家监委网报道,目前,中国电科山西碳化硅材料产业基地已经实现4英寸晶片的大批量产,6英寸高纯半绝缘碳化硅单晶衬底也已经开始工程化验证,预计年底达到产业化应用与国际水平相当。 此外,中电科总经理李斌表示,目前国际上碳化硅晶片的合格率最高是70%-80%,而原来国内实验室生产的碳化硅晶片的合格率仅有30%。但在碳化硅产业基地,这个合格率可以达到65%。现在我们在实现迅速研发的同时也进一步开展量产,三年内整个项目要达到18万片每年的产能。另外,我们目前在进行8英寸晶片的研究,希望三年之后,我们能有8英寸的样片出来。 2019年4月1日,中国电科(山西)碳化硅产业基地一期项目开工建设,同年9月26日封顶。 今年2月28日,中国
此次合作将利用双方的协同优势进一步提升碳化硅(SiC)技术 奈梅亨, 2023 年 11 月 1 4 日 : Nexper i a 今天宣布与三菱电机公司建立战略合作伙伴关系,共同开发碳化硅(SiC) MOSFET分立产品。Nexperia和三菱电机都是各自行业领域的领军企业,双方联手开发,将促进SiC宽禁带半导体的能效和性能提升至新高度,同时满足对高效分立式功率半导体快速增长的需求。 三菱电机的功率半导体产品有助于客户在汽车、家用电器、工业设备和牵引电机等众多领域实现大幅节能 。该公司提供的高性能SiC模块产品性能可靠,在业界享有盛誉。日本备受赞誉的高速新干线列车采用了这些模。
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