宽带导电电器前展 禁半体力子件景望.pdf

宽 禁 带 半 导 体 电 力 电 子 器 件 前 景 展 望高 勇（西 安 卫 光 科 技 有 限 公 司，西 安）摘 要：基 半 导 体 器 件 的 性 能 参 数 已 经 接 近 理 论 极 限，不 可 能 再 有 很 大 的 发 展。宽 禁 带 半 导体 电 力 电 子 器 件 的 关 键 技 术 参 数（工 作 电 压、电 流 密 度、工 作 温 度 和 开 关 速 度）比器 件 有 突破 性 的 提 高，已 经 进 入 商 业 化 应 用 阶 段，具 有 十 分 广 阔 的 发 展 前 景。加 强 宽 禁 带 半 导 体 电 力 电 子器 件 的 研 发，尽 早 实 现 产 业 化发 挥 其 节 能 减 排 的 社 会 效 益，对 于 国 家 的 可 持 续 发 展、国 防 安 全和 国 际 地 位 都 具 有 重 要 意 义。关 键 词：宽 禁 带；半 导 体；电 力 电 子 器 件；碳 化 硅，氮 化 镓中 图 分 类 号：；文 献 标 识 码：文 章 编 号：（）增 刊 （，）：，（，），：；：引 言随 着 电 力 电 子 技 术 应 用 的 不 断 发 展，对 电 力 电子 器 件 的 性 能 指 标 和 可 靠 性 的 要 求 也 日 益 苛 刻。具体 而 言，要 求 电 力 电 子 器 件 具 有 更 大 的 电 流 密 度、更 高 的 工 作 温 度、更 强 的 散 热 能 力、更 高 的 工 作 电压、更 低 的 导 通 压 降 和 更 快 的 开 关 时 间；对 于 航 天和 军 事 应 用 而 言，还 要 有 更 强 的 抗 辐 照 能 力。特 别是 对 于 航 天、航 空、舰 船、输 变 电、机 车、装 甲 车辆 等 使 用 条 件 恶 劣 的 应 用 领 域，以 上 要 求 更 为 迫切。目 前 广 泛 采 用 的电 力 电 子 开 关 器 件 经 过 近年 的 发 展，性 能 已 经 趋 近 其 理 论 极 限，难 以 再有 很 大 幅 度 的 提 升，即 将 成 为 制 约 未 来 电 力 电 子 技术 进 一 步 发 展 的 瓶 颈 之 一。要 使 其 性 能 和 可 靠 性 有根 本 性 的 突 破，必 须 在 基 础 材 料 上 另 辟 蹊 径。自世 纪年 代 以 来，经 过 许 多 研 究 者 的 不 懈 努力，宽 禁 带 半 导 体 材 料 逐 渐 展 现 出 无 比 诱 人 的 前景。宽 禁 带 电 力 电 子 器 件 的 优 越 性，以 及等 宽 禁 带 半 导 体 材料 受 到 了 愈 来 愈 多 的 关 注，成 为 新 材 料、新 器 件 研究 的 热 点。随 着 研 究 的 深 入，宽 禁 带 半 导 体 材 料 展现 出 一 系 列 让，和等 传 统 半 导 体 材 料 望尘 莫 及 的 优 点櫶櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶：卓 越 的 高 温 性 能高 温 下 本 征 载 流 子 浓 度 增 加，造 成结 反 向电 流 随 温 度 增 加，是 限 制 半 导 体 芯 片 高 温 工 作 的 决定 性 因 素。宽 禁 带 半 导 体 材 料 的 本 征 载 流 子 浓 度 远远 低 于 传 统 半 导 体 材 料（的 本 征 载 流 子 浓 度 仅为的），因 此 其 的 反 向 电 流 远 远 小 于 传 统半 导 体 材 料。器 件 的 最 高 工 作 温 度 为，器 件 的 最 高 工 作 温 度 不 超 过，而 宽 禁 带 半 导体 材 料 能 够 达 到，因 而 能 够 承 受 很 大 的 功 率密 度，或 在 恶 劣 的 散 热 条 件 下 能 可 靠 地 工 作。良 好 的 导 热 性 能：宽 禁 带 半 导 体 材 料 的 导 热 率 高 于（的 热导 率 分 别 是的倍、的倍），因 此 在 耗散 同 样 功 率 的 条 件 下，宽 禁 带 半 导 体 芯 片 的 实 际 温度 比芯 片 低，因 此 具 有 更 长 的 工 作 寿 命。非 凡 的 抗 电 压 击 穿 能 力宽 禁 带 半 导 体 材 料 的 击 穿 电 场 强 度 普 遍 高 于（的 击 穿 场 强 是的倍）。因 此在 同 等漂 移 区 掺 杂 水 平 条 件 下，宽 禁 带 半 导 体 器 件 的 击 穿电 压 远 远 高 于器 件；在 相 同 击 穿 电 压 条 件 下，宽 禁 带 半 导 体 器 件 的 漂 移 区 掺 杂 浓 度 可 以 大 幅 度 提高、厚 度 可 以 大 幅 度 减 小，从 而 通 态 压 降 可 以 大 幅度 降 低（理 论 上，的 漂 移 区 电 阻 仅 为传 统器 件 的）；载 流 子 饱 和 漂 移 速 度 高宽 禁 带 半 导 体 材 料 的 载 流 子 饱 和 漂 移 速 度 远 高于（的 饱 和 电 子 漂 移 速 度 是的倍），因 而 有 利 于 提 高 器 件 的 频 率 特 性、减 小 大 电 流 下 的通 态 压 降、提 高 开 关 速 度 和 抗 辐 射 能 力。宽 禁 带 半 导 体 材 料 的 上 述 特 点，使 其 得 到 了 日益 广 泛 的 研 究 和 应 用，尤 其 是 特 别 适 合 于 制 造 高温、高 压、快 速 和 大 电 流 的 电 力 电 子 器 件。此 外，宽 禁 带 半 导 体 在 微 波 器 件、射 频 器 件 和 光 电 器 件 等应 用 领 域 也 有 良 好 的 发 展 前 景，使 其 成 为 继和之 后 的 第 三 代 半 导 体 材 料。采 用 宽 禁 带 半 导体 制 造 电 力 电 子 器 件，将 突 破材 料 的 局 限 性，成 为 电 力 电 子 器 件 进 一 步 发 展 的 必 然 趋 势。目 前 发 展 状 况目 前，美、日、俄、欧、韩 等 国 家 和 地 区 正 在加 紧 研 发 宽 禁 带 半 导 体 器 件，已 经 有 商 业 化 产 品 出现；在 我 国，北 京 大 学、西 安 电 子 科 技 大 学 等 许 多单 位 已 相 继 建 立 了 宽 禁 带 半 导 体 材 料 与 器 件 实 验室，取 得 了 一 系 列 研 究 成 果。肖 特 基 二 极 管在 国 外，肖 特 基 二 极 管 已 于年 开 始 商品 化，目 前 已 经 可 以 达 到 的 击 穿 电 压 和 的 工 作 结 温，远 远 高 于 传 统器 件。英 飞 凌公 司 的 肖 特 基 二 极 管 用 于 通 讯 系 统 电 源；产 品 用 于 开 关 电 源 的 功 率 因 数 校正，产 品 用 于 电 机 控 制 器。宽 禁 带 半 导 体肖 特 基 二 极 管 的 开 启 电 压 虽 然 比器 件 有 所 升 高，但 在 击 穿 电 压、反 向 电 流、工 作 温 度 和 大 电 流 下 的导 通 压 降 等 关 键 技 术 指 标 方 面，传 统器 件 根 本不 能 与 之 相 比。二 极 管 二 极 管 的 工 作 电 压 已 经 达 到，堪比 由 许 多 个二 极 管 串 联 构 成 的 高 压堆。虽 然与 单 个芯 片 相 比，二 极 管 的 开 启 电 压 较大，但 与 同 等 工 作 电 压 的 高 压堆 相 比，其 正 向压 降 仍 然 占 有 优 势。在 相 同 击 穿 电 压 条 件 下，器 件 的 掺 杂 浓 度 高、飘 移 区 厚 度 小，因 此 漂 移 区 的复 合 率 高、储 存 电 荷 少，反 向 恢 复 时 间 明 显 短 于器 件。功 率晶 体 管功 率晶 体 管 最 早 于年 研 制 成 功，目 前 工 作 电 压 已 经 达 到 ，而 相 应器 件 的工 作 电 压 仅 为器 件 的。高 压 功 率晶 体 管 的 主 要 技 术 困 难 在 于：随 着 工 作 电 压 的 提 高，漂 移 区 电 阻 以 电 压 的次幂 迅 速 增 长，致 使 工 作 电 压 继 续 提 高 时，导 通 电 阻会 增 大 到 不 可 接 受 的 程 度。对 于器 件，由 于 其击 穿 临 界 电 场 高，因 此 在 制 造 中，选 取 很 小 的 漂 移区 厚 度 和 较 大 的 掺 杂 浓 度 就 可 以 达 到 很 高 的 击 穿 电压，漂 移 区 电 阻 因 之 大 大 下 降。新 近 报 道 的 平 面功 率晶 体 管 的 特 征 电 阻 小 于，已 经 优 于 功 率晶 体 管。目 前，功 率晶 体 管 耐 压 水 平已 经 与 相 当，但 其 开 关 速 度 则 将 远远 甩 在 身 后。除 上 述 成 果 之 外，宽 禁 带 电 力 电 子 器 件 在 双 极型 晶 体 管、晶 闸 管、静 电 感 应 晶 体 管 等 方 面 也 取 得了 一 系 列 成 果。高 勇：櫶櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶宽 禁 带 半 导 体 电 力 电 子 器 件 前 景 展 望半 导 体 技 术 第卷 增 刊年月发 展 前 景由 以 上 叙 述 可 见，宽 禁 带 电 力 电 子 器 件 已 经 展现 出 了 令 人 神 往 的 发 展 前 景，但 这 仅 仅 是 开 始。目前，宽 禁 带 半 导 体 材 料 和 器 件 的 工 艺 还 不 够 成 熟。单 晶 材 料 的 缺 陷 较 多、晶 片 价 格 昂 贵、大 直 径 单 晶材 料 制 取 困 难 以 及 掺 杂、退 火、界 面 态 控 制、提 高沟 道 迁 移 率、欧 姆 接 触 的 制 备 等 工 艺 问 题，限 制 了其 非 凡 潜 力 的 进 一 步 发 挥，其 卓 越 性 能 远 没 有 得 到充 分 体 现，目 前 达 到 的 性 能 指 标 与 理 论 预 期 相 差 尚远，刚 刚 步 入“初 级 阶 段”。虽 然 面 临 着 诸 多 问 题有 待 解 决，但 这 些 困 难 终 将 被 克 服。宽 禁 带 电 力 电子 器 件 已 经 开 始 进 入 商 业 化 阶 段，可 以 预 言 在 不 远的 将 来，尤 其 是 在 恶 劣 工 作 环 境 和 高 可 靠 应 用 领域，它 势 必 成 为 应 用 主 流。结 语宽 禁 带 电 力 电 子 器 件 具 有 十 分 广 阔 的 发 展 前景，其 推 广 应 用 必 然 进 一 步 推 动 电 力 电 子 技 术 的 发展，产 生 更 大 的 节 能 减 排 效 益。作 为 世 界 上 最 大、发 展 速 度 最 快、资 源 与 发 展 矛 盾 最 突 出 的 发 展 中 国家，宽 禁 带 电 力 电 子 器 件 在 我 国 必 将 具 有 可 观 的 市场 需 求。尽 快 使 宽 禁 带 电 力 电 子 器 件 技 术 走 向 成 熟并 推 广 应 用，对 于 我 国 的 国 民 经 济 的 健 康、协 调、可 持 续 发 展，对 于 国 防 安 全 和 国 际 地 位 都 具 有 重 要意 义。建 议 国 家 予 以 专 项 支 持，以 期 我 国 在 该 领 域能 够 赶 上 和 超 过 国 际 先 进 水 平。（收 稿 日 期：）作 者 简 介：高 勇（），男，陕 西 商 洛 人，本 科，高 级 工 程 师，现 任 西 安 卫 光 科 技 有 限 公 司 副 总经 理，主 要 研 究 方 向 为 大 功 率 半 导 体 器 件櫶櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶。（上 接 第页），：，：施 敏半 导 体 器 件 物 理 与 工 艺苏 州：苏 州 大 学 出 版社：，（）：，（）：，（）：张 彦 飞，吴 郁，游 雪 兰，等硅 材 料 功 率 半 导 体 器 件 结 终端 技 术 的 新 发 展电 子 器 件，（）：陈 星 粥功 率与 高 压 集 成 电 路南 京：东 南大 学 出 版 社：王 英，何 杞 鑫，方 绍 华高 压 功管 的 设 计 研 制电 子 器 件，（）：赵 丽 霞，袁 肇 耿，张 鹤 鸣高 压用 外 延 片 的 外 延参 数 设 计半 导 体 技 术，（）：（收 稿 日 期：）作 者 简 介：胡 佳 贤（），男，年 本 科 毕 业 于 浙江 大 学 微 电 子 与 固 体 电 子 学 专 业，现 在 浙 江 大学 微 电 子 与 固 体 电 子 学 专 业 攻 读 硕 士 学 位主要 研 究 方 向 为 功 率 器 件 及；韩 雁（），女，浙 江 大 学 微 电 子 所 副 所 长，教 授，博 士 生 导师，主 要 研 究 方 向 为 微 电 子 与 集 成 电 路 设 计、制 造、测 试，主 要 从 事 混合和 高 压 功 率方 面 的 研 究。高 勇：櫶櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶 櫶宽 禁 带 半 导 体 电 力 电 子 器 件 前 景 展 望