几十年前，半导体硅材料在功率半导体器件领域一直处于领先地位。然而，随着电力领域对小型化、高频化、高温化、高压化和抗辐射性的迫切需求，硅基功率器件已经达到理论极限。第二代半导体材料，例如砷化镓（GaAs）、碳化硅功率器件（SIC）、氮化镓（GAN）、氮化铝（AlN）、氧化锌（ZnO）、碳化硅（SIC）、碳化硅（GAN）、氮化铝（AlN）、氧化锌（ZnO）、碳化硅（ZnO）、碳化硅（SIC）、碳化硅（GAN）、氮化铝（AlN），氧化锌（ZnO）、硅、金刚石等第三代半导体材料（带隙大于3.2eV）已经走上了半导体的舞台。

　　与第一代半导体材料硅和第二代半导体材料砷化镓相比，碳化硅具有宽禁带（是硅的2.9倍）、高临界击穿电场（是硅的10倍）、高导热系数（是硅的3.3倍）的特点，载流子饱和漂移速度高（是硅的1.9倍），化学稳定性和热稳定性好，是电力电子和光电器件的理想材料。在相同的击穿电压下，SiC基功率器件的导通电阻仅为硅器件的1/200，大大降低了变换器的导通损耗。据统计，如果全国全部采用碳化硅电力电子器件进行输电，每年的节电量可相当于两座三峡水电站的发电量。根据美国科瑞公司的研究，如果碳化硅功率器件在世界范围内得到广泛应用，每年可节约能源350亿美元。因此，碳化硅基功率器件将能够大大降低能耗，满足未来电力系统对高压低功耗电力电子器件的要求。

　　随着SiC衬底、外延生长和工艺技术的发展，具有中等阻断电压（600-1700v）的SiC肖特基势垒二极管（SBD）和功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）逐渐商业化。然而，材料性能和材料缺陷对SiC功率器件性能和可靠性的影响还不十分清楚，特别是对于10kV以上的大容量SiC功率器件，通常需要SiC厚膜外延材料。高厚度、低缺陷的高质量SiC均匀外延直接决定了SiC基电力电子器件的性能。其次，碳化硅基绝缘栅双极晶体管（IGBT）面临的最大挑战是低载流子迁移率（10cm2/VS），仅为碳化硅基MOSFET的1/10，比碳化硅体材料（1000cm2/VS）低两个数量级。载流子迁移率决定了半导体器件的电导率和工作频率，影响器件的开关损耗和效率。

　　目前，碳化硅基功率器件面临着严峻的挑战。现有的碳化硅基肖特基二极管、mosfet等器件不能有效满足实际应用的需要。对IGBT器件的需求日益迫切。我们必须突破碳化硅基IGBT研究中的瓶颈问题，提高器件电压强度，提高沟道迁移率。针对这些核心技术问题，中科院半导体研究所课题组从确定碳化硅基IGBT载流子迁移率的最基本的科学规律入手，揭示了载流子输运机制和能带结构对准，生长了高质量的碳化硅厚膜外延材料和低界面态栅介质层材料，对材料的界面和表面进行了研究和控制，研制了高载流子迁移率、高阻断电压的碳化硅IGBT器件。

　　SiC厚外延层的生长是高压大容量IGBT器件发展的基础之一。较厚的外延层和较低的本底载流子浓度是SiC器件抗击穿性能的保证。因此，课题组研究了快速外延生长条件下的温度场和流场分布，建立了碳化硅生长速率与工艺条件的内在关系，采用热壁CVD反应生长室，提高了碳化硅CVD系统温度场的均匀性，同时，低压化学气相沉积法可以调节反应气体的流速和改变生长温度，从而提高SiC外延的生长速率，并保证碳硅比恒定，使SiC外延的成分在快速生长的同时保持恒定。

　　在碳化硅IGBT的研制中，采用离子注入掺杂工艺在器件周围形成球形和圆柱形结。因此，有必要设计一种有效的端子结构来提高高压碳化硅器件的击穿能力。SiC端接技术中常用的结构有结端接扩展（JTE）、场限制环（GR）、场板等，课题组采用ssm JTE端接结构，有效地提高了器件阻挡电压对掺杂浓度的耐受范围，大大降低了装置在10kV时的泄漏电流。SiC-IGBT在10kV下的漏电流仅为10na。课题组研制的大容量碳化硅IGBT器件可应用于新一代智能电网，进一步优化配电系统，使电网运行效率更高、切换速度更快，特别是对于长距离输电线路。采用这种碳化硅器件，可使电耗降低一半，从而降低电力设备的发热量，大大减小功率变换器的体积和重量，对工作温度高达200℃的电力系统十分有利℃.

　　据悉，2010年世界平均用电量占能源消费总量的比例约为20%，近年来这一比例增长迅速。功率半导体器件是功率调节不可缺少的器件。研究团队的研究成果将对高效节能起到极其重要的作用。下一步，课题组将继续深化研究，为全面提高我国全控电力电子器件的原始创新能力提供科研帮助，增强我国在这一战略领域的国际竞争力。

　　无锡国晶微半导体技术有限公司是宽禁带第三代半导体碳化硅SiC功率器件、氮化镓GaN光电器件以及常规集成电路研发及产业化的高科技创新型企业，从事碳化硅场效应管，碳化硅肖特基二极管、GaN光电光耦继电器、单片机集成电路等产品芯片设计、生产与销售并提供相关产品整体方案设计配套服务，总部位于江苏省无锡市高新技术开发区内，并在杭州、深圳和香港设有研发中心和销售服务支持中心及办事处。

　　公司具有国内领先的研发实力，专注于为客户提供高效能、低功耗、低阻值、品质稳定的碳化硅高低功率器件及光电集成电路产品，同时提供一站式的应用解决方案和现场技术支持服务，使客户的系统性能优异、灵活可靠，并具有成本竞争力。

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