功率半导体的优势应用领域!-国晶微半导体

国产碳化硅肖特基功率器件选型工程师
2021-07-01

  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。

碳化硅功率器件在新能源方面的应用-国晶微半导体

  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。

国晶微半导体-碳化硅肖特基器件供应商

  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。


  公司的碳化硅功率器件涵盖650V/2A-100A,1200V/2A-90A,1700V/5A-80A等系列,产品已经投入批量生产,产品完全可以对标国际品牌同行的先进品质及水平。先后推出全电流电压等级碳化硅肖特基二极管、通过工业级、车规级可靠性测试的碳化硅MOSFET系列产品,性能达到国际先进水平,应用于太阳能逆变电源、新能源电动汽车及充电桩、智能电网、高频电焊、轨道交通、工业控制特种电源、国防军工等领域。由于其具有高速开关和低导通电阻的特性,即使在高温条件下也能体现优异的电气特性,大幅降低开关损耗,使元器件更小型化及轻量化,效能更高效,提高系统整体可靠性,可使电动汽车在续航里程提升10%,整车重量降低5%左右,并实现设计用充电桩的高温环境下安全、稳定运行。


  特别在高低压光耦半导体技术方面更是拥有业内领先的研发团队。在国内创先设计开发了28nm光敏光栅开关PVG芯片技术,并成功量产应用于60V、400V、600V高低压、低内阻、低电容的光电耦合继电器芯片、涵盖1500kVrms SOP超小封装及3750kVrms隔离增强型常规SMD、DIP等不同封装,单路、双路、混合双路、常开常闭等电路产品,另包括200V SOI MOS/LIGBT集成芯片、100V CMOS/LDMOS集成芯片、8bit及32bit单片机等集成电路产品,均获得市场及各重点科研单位、检测机构的新产品认定。


  公司核心研发团队中大部分工程师拥有硕士及以上学位,并有多名博士主持项目的开发。公司建立了科技创新和知识产权管理的规范体系,在电路设计、半导体器件及工艺设计、可靠性设计、器件模型提取等方面积累了众多核心技术,拥有多项国际、国内自主发明专利。


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