IFWS碳化硅電力電子器件技術分會（上）

 

　　以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)等為代表的第三代半導體材料，具有高擊穿場強、高熱導率、高電子飽和速率、高抗輻射能力等優越性能，是固態光源和電力電子、微波射頻器件的“核芯”，在半導體照明、新一代移動通信、智能電網、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等領域有廣闊的應用前景，可望成為支撐信息、能源、交通、國防等發展的重點新材料，正在成為全球半導體產業新的戰略高地。

分會現場
 

　　11月15日-17日，2016中國(北京)跨國技術轉移大會暨第三代半導體國際論壇（以下簡稱“跨國技術轉移大會”）在北京國際會議中心舉行，第十三屆中國國際半導體照明論壇并與之同期同地舉行。其中，在11月17日召開的“碳化硅電力電子器件技術分會”現場，聚集了來自全球各地頂尖專家，高質量報告密集發布，亮點十足。

 

　　據了解，北京市“十三五”時期加強全國科技創新中心建設規劃中，關于第三代半導體也明確提出以先導材料、優勢材料為核心，加快以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導體材料等新材料技術研發，提高特種材料自給能力，推動順義區第三代半導體材料產業發展。

 

　　并對第三代半導體全產業鏈進行部署，國家新材料重大科技任務部署，推動第三代半導體材料研發項目落地北京。圍繞材料器件研發與應用，全鏈條部署、一體化實施。即“1234”總體布局：“1”個基地，即承接國家第三代半導體重大創新基地建設；“2”種材料，即重點聚焦碳化硅、氮化鎵兩種材料；“3”條主線，圍繞光電子、電力電子、微波射頻三條應用主線；“4”項任務，即關鍵技術突破、創新鏈條構建、成果孵化轉化和產業集群建設。

 

　　在碳化硅電力電子器件技術專場分會現場，由中國大功率電力電子技術的主要開創者之一、全球能源互聯網研究院黨組書記、副院長，輸配電及節電技術國家工程研究中心主任邱宇峰和浙江大學教授，教育部長江學者，特聘教授，博士生導師盛況共同擔任嘉賓主持。美國倫斯勒理工大學教授周達成受邀擔任本次分會外方主席，并作高電壓碳化硅功率器件的研究進展主題報告。

 

　　周達成教授指出，SiC以其具有吸引力的材料特性，成為電源轉換應用中的一種寬帶隙半導體材料。目前，SiC的高電壓功率器件可以商品化，性能提高了，因此常規的硅器件相比，功率損耗更小，能量效率更高，正在沖擊先進的電力電子學系統。

 

　　同時，他還對SiC功率器件的類型和結構，包括其性能方面的潛力和目前的狀況。在各個功率范圍內（低、中、高），我們將聚焦目前的商業化趨勢，并且提出這些新興半導體器件遇到并且亟需解決的挑戰都給出了詳盡的分析。

 

　　他指出，為了獲得市場的廣泛接收，SiC功率器件需要在長期可靠性和低成本方面繼續努力。因此，我們期待SiC功率期間技術將會成為一種重要的有效利用能源的功率電子系統，并且實現很寬范圍的功率水平。

 

　　除此之外，分會在為期全天的會議安排中，團隊同樣星光熠熠，力邀多位國內外的權威專家共同坐鎮。會議上半場特邀澳大利亞格里菲斯大學微電子工程學院教授Sima DIMITRIJEV分享電力電子設備的后硅時代主題報告；西安交通大學電信學院教授張安平介紹使用SL P AlGaN和反射物提高UVC LED的光提取；日本名古屋大學教授宇治原徹帶來“高質量碳化硅的溶液生長”主題報告；德國愛思強股份有限公司電力電子器件副總裁Frank WISCHMEYER介紹“碳化硅外延生產技術促進高功率半導體器件的大批量生產”報告；廣西大學物理科學與工程技術學院杰出教授馮哲川介紹“n + 4H SiC上的同質外延4H-SiC薄膜和深紫外-紫外-可見光的光譜特性”演講報告。意大利那不勒斯費德里克二世大學電氣工程和信息技術系副教授Giovanni BREGLIO帶來DIETI對電力電子器件和寬禁帶半導體器件的研究報告，此外，還有順義產業園與第三代半導體產業特邀報告，分享北京順義產業園與第三代半導體產業基地的建設情況。

 

　　澳大利亞格里菲斯大學微電子工程學院教授Sima DIMITRIJEV在分享電力電子設備的后硅時代主題報告時，首先講述了硅的局限性和碳化硅以及氮化鎵作為電力開關器件的優勢，并表明了電力開關器件的四個具體應用要求：（1）高阻塞電壓（2）低功耗（3）高轉換速度 和（4）正常的關閉操作。并論述該優勢推動了碳化硅肖特基二極管和晶體管的商業化發展。報告還分析了氮化鎵的潛能會加快技術進步，超越硅的理論極限，甚至顯著降低電力電子開關的價格。在最后一節中，演示文稿將集中描述格里菲斯大學的標準電力電子設備的發展。

 

　　如轉換器和逆變器一般用于電力轉換的電力電子設備是有效利用電能的核心技術。 SiC電子器件被認為是成為用于各種應用中的下一代低損耗功率轉換設備的關鍵部件。

 

　　日本名古屋大學教授宇治原徹在“高質量碳化硅的溶液生長”主題報告中表示，現有碳化硅晶體生長技術是依靠播種升華增長方法實行的。如今，現在市場上有幾乎微管密度為零的4和6英寸的的晶片。然而，在當前的技術中，晶體生長仍然容易出現高密度的擴展缺陷。因此減少這些缺陷是改善SiC器件性能的最優先問題。液生長法被認為是產生高質量SiC晶體的有力方法，并闡述了溶液生長法的一些積極作用。對于塊體晶體生長，通常執行頂部晶種溶液生長（TSSG）方法。在該方法中，晶體由碳坩堝中的硅基溶劑生長而成，過程中碳元素從坩堝進入溶劑。然而缺陷修復的效果細節依然不清楚。最近，我們的X射線形貌實驗揭示了穿透脫臼的愈合機制。在演講中，回顧了脫位復位的機理、位錯密度的控制以及“超高質量”的可能性。

 

　　碳化硅(SiC)是重要的第三代寬禁帶半導體材料，具有良好的物理和化學特性，如高導熱性、高硬度、高電子遷移率、高擊穿電壓和低導電常數等，適用于高溫和高壓器件以及傳感器應用。碳化硅含有多種類型，其中4H-SiC具有最高電子遷移率和室溫下第二最大能隙，其已實現大尺寸晶片的量產。

 

　　廣西大學物理科學與工程技術學院杰出教授馮哲川介紹“n + 4H SiC上的同質外延4H-SiC薄膜和深紫外-紫外-可見光的光譜特性”演講報告。他表示， 4H-SiC在同質外延方面的研發至關重要，通過對一系列的4H-SiC進行系統的深入研究，其為在n+型4H-SiC基底上通過低壓高溫化學氣相沉積(CVD)法生長不同C:Si比率的同質外延薄膜。我們采用多學科表征技術研究這些n-型4H-SiC/n+型4H-SiC材料，包括光致發光譜(PL)、拉曼散射(RS)、橢園偏振光譜(SE)、傅里葉紅外光譜(FTIR)和X-射線光電子能譜(XPS)等。

 

　　4H-SiC樣品的低溫(2K)下的PL譜展示了窄的激子譜線、聲子伴線和施主-受主對(DAP)，其提供了微量殘余雜質元素的有用信息。可見光的拉曼測量獲得了橫向光學聲子模（TO），縱光學聲子模(LO)和來自n+型重摻雜基底的LO聲子與等離子體耦合(LOPC)模。在紫外光325nm激光的激發下，LOPC模相對于LO聲子的強度極大地減弱，且在深紫外266nm激發下未出現。

 

　　由詳盡的理論模擬和光譜線形分析，我們做出了對于薄膜的晶體完美性以及生長過程中隨硅/碳流量比的變化的定量表征。從深紫外拉曼測量還可得知某些同質外延4H-SiC薄膜的近表面(大約1 mm)層有較高的缺陷密度或晶體結構完整性較差。亦進行了拉曼深度剖面測量，即沿薄膜生長方向進行每間隔0.5 mm的自動步進測量。通過對LO模的理論模擬，可獲取沿著生長方向約6 mm 厚度的4H-SiC薄膜之載流子濃度的變化即摻雜濃度的分布。這些結果和實驗理論相結合的方法具有重要的科學意義，且適用于碳化硅材料的生長和工業發展。