碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，除作磨料用外，还有很多其他用途，例如：以特殊工艺把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽缸体的内壁，可提高其耐磨性而延长使用寿命1～2倍；用以制成的高级耐火材料，耐热震、体积小、重量轻而强度高，节能效果好。低品级碳化硅（含SiC约85%）是极好的脱氧剂，用它可加快炼钢速度，并便于控制化学成分，提高钢的质量。此外，碳化硅还大量用于制作电热元件硅碳棒。

 

碳化硅的硬度很大,莫氏硬度为9.5级，仅次于世界上最硬的金刚石（10级），具有优良的导热性能，是一种半导体，高温时能抗氧化。

 

 

 

到现在已经有很多厂商生产碳化硅器件比如Cree公司、Microsemi公司、Infineon公司、Rohm公司。

 

 

碳化硅（SiC）是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，世界各国对SiC的研究非常重视，纷纷投入大量的人力物力积极发展，美国、欧洲、日本等不仅从国家层面上制定了相应的研究规划，而且一些国际电子业巨头也都投入巨资发展碳化硅半导体器件。

 

与普通硅相比，采用碳化硅的元器件有如下特性：

 

 

 

 

 

 

 

在Si材料已经接近理论性能极限的今天，SiC功率器件因其高耐压、低损耗、高效率等特性，一直被视为“理想器件”而备受期待。然而，相对于以往的Si材质器件，SiC功率器件在性能与成本间的平衡以及其对高工艺的需求，将成为SiC功率器件能否真正普及的关键。

 

目前,低功耗的碳化硅器件已经从实验室进入了实用器件生产阶段。目前碳化硅圆片的价格还较高,其缺陷也多。通过不断的研究开发,预计到2010年前后,碳化硅器件将主宰功率器件的市场。但实际上并非如此。

 

 

 

 

 

SiC-MOSFET 是碳化硅电力电子器件研究中最受关注的器件。成果比较突出的就是美国的Cree公司和日本的ROHM公司。

 

在Si材料已经接近理论性能极限的今天，SiC功率器件因其高耐压、低损耗、高效率等特性，一直被视为“理想器件”而备受期待。然而，相对于以往的Si材质器件，SiC功率器件在性能与成本间的平衡以及其对高工艺的需求，将成为SiC功率器件能否真正普及的关键。

 

 

碳化硅MOSFET（SiC MOSFET）N+源区和P井掺杂都是采用离子注入的方式，在1700℃温度中进行退火激活。另一个关键的工艺是碳化硅MOS栅氧化物的形成。由于碳化硅材料中同时有Si和C两种原子存在，需要非常特殊的栅介质生长方法。其沟槽星结构的优势如下：

 

 

 

SiC-MOSFET采用沟槽结构可最大限度地发挥SiC的特性。

 

 

 

硅IGBT在一般情况下只能工作在20kHz以下的频率。由于受到材料的限制，高压高频的硅器件无法实现。碳化硅MOSFET不仅适合于从600V到10kV的广泛电压范围，同时具备单极型器件的卓越开关性能。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET在开关电路中不存在电流拖尾的情况具有更低的开关损耗和更高的工作频率。

 

20kHz的碳化硅MOSFET模块的损耗可以比3kHz的硅IGBT模块低一半， 50A的碳化硅模块就可以替换150A的硅模块。显示了碳化硅MOSFET在工作频率和效率上的巨大优势。

 

碳化硅MOSFET寄生体二极管具有极小的反向恢复时间trr和反向恢复电荷Qrr。如图所示，同一额定电流900V的器件，碳化硅MOSFET 寄生二极管反向电荷只有同等电压规格硅基MOSFET的5%。对于桥式电路来说（特别当LLC变换器工作在高于谐振频率的时候），这个指标非常关键，它可以减小死区时间以及体二极管的反向恢复带来的损耗和噪音，便于提高开关工作频率。

 

 

 

碳化硅MOSFET模块在光伏、风电、电动汽车及轨道交通等中高功率电力系统应用上具有巨大的优势。碳化硅器件的高压高频和高效率的优势，可以突破现有电动汽车电机设计上因器件性能而受到的限制，这是目前国内外电动汽车电机领域研发的重点。如电装和丰田合作开发的混合电动汽车（HEV）、纯电动汽车（EV）内功率控制单元（PCU），使用碳化硅MOSFET模块，体积比减小到1/5。三菱开发的EV马达驱动系统，使用SiC MOSFET模块，功率驱动模块集成到了电机内，实现了一体化和小型化目标。预计在2018年-2020年碳化硅MOSFET模块将广泛应用在国内外的电动汽车上。

 

 

碳化硅肖特基二极管

 

 

碳化硅肖特基二极管（SiC SBD）的器件采用了结势垒肖特基二极管结构（JBS），可以有效降低反向漏电流，具备更好的耐高压能力。

 

 

碳化硅肖特基二极管是一种单极型器件，因此相比于传统的硅快恢复二极管（Si FRD），碳化硅肖特基二极管具有理想的反向恢复特性。在器件从正向导通向反向阻断转换时，几乎没有反向恢复电流（如图1.2a），反向恢复时间小于20ns，甚至600V10A的碳化硅肖特基二极管的反向恢复时间在10ns以内。因此碳化硅肖特基二极管可以工作在更高的频率，在相同频率下具有更高的效率。另一个重要的特点是碳化硅肖特基二极管具有正的温度系数，随着温度的上升电阻也逐渐上升，这与硅FRD正好相反。这使得碳化硅肖特基二极管非常适合并联实用，增加了系统的安全性和可靠性。

 

概括碳化硅肖特基二极管的主要优势，有如下特点：

 

 

 

碳化硅肖特基二极管可广泛应用于开关电源、功率因素校正（PFC）电路、不间断电源（UPS）、光伏逆变器等中高功率领域，可显著的减少电路的损耗，提高电路的工作频率。在PFC电路中用碳化硅SBD取代原来的硅FRD，可使电路工作在300kHz以上，效率基本保持不变，而相比下使用硅FRD的电路在100kHz以上的效率急剧下降。随着工作频率的提高，电感等无源原件的体积相应下降，整个电路板的体积下降30%以上。

 

 

几乎凡能读到的文章都是这样介绍碳化硅：
 

碳化硅的能带间隔为硅的2.8倍(宽禁带),达到3.09电子伏特。其绝缘击穿场强为硅的5.3倍,高达3.2MV/cm.其导热率是硅的3.3倍,为49w/cm.k。由碳化硅制成的肖特基二极管及MOS场效应晶体管,与相同耐压的硅器件相比,其漂移电阻区的厚度薄了一个数量级。其杂质浓度可为硅的2个数量级。由此,碳化硅器件的单位面 积的阻抗仅为硅器件的100分之一。它的漂移电阻几乎就等于器件的全部电阻。因而碳化硅器件的发热量极低。这有助于减少传导和开关损耗，工作频率一般也要比硅器件高10倍以上。此外，碳化硅半导体还有的固有的强抗辐射能力。

 

近年利用碳化硅材料制作的IGBT(绝缘栅双极晶体管)等功率器件,已可采用少子注入等工艺,使其通态阻抗减为通常硅器件的十分之一。再加上碳化硅器件本身发热量小,因而碳化硅器件的导热性能极优。还有,碳化硅功率器件可在400℃的高温下正常工作。其可利用体积微小的器件控制很大的电流。工作电压也高得多。

 

 

1，技术参数：举例来说，肖特基二极管电压由250伏提高到1000伏以上，芯片面积小了，但电流只有几十安。工作温度提高到180℃，离介绍能达600℃相差很远。压降更不尽人意，与硅材料没有差别，高的正向压降要达到2V。

 

2，市场价格：约为硅材料制造的5到6倍。

 

 

综合各种报道，难题不在芯片的原理设计，特别是芯片结构设计解决好并不难。难在实现芯片结构的制作工艺。

 

举例如下：

 

1，碳化硅晶片的微管缺陷密度。微管是一种肉眼都可以看得见的宏观缺陷，在碳化硅晶体生长技术发展到能彻底消除微管缺陷之前，大功率电力电子器件就难以用碳化硅来制造。尽管优质晶片的微管密度已达到不超过15cm-2 的水平。但器件制造要求直径超过100mm的碳化硅晶体，微管密度低于0.5cm-2 。

 

2，外延工艺效率低。碳化硅的气相同质外延一般要在1500℃以上的高温下进行。由于有升华的问题，温度不能太高，一般不能超过1800℃，因而生长速率较低。液相外延温度较低、速率较高，但产量较低。

 

3，掺杂工艺有特殊要求。如用扩散方法进行惨杂，碳化硅扩散温度远高于硅，此时掩蔽用的SiO2层已失去了掩蔽作用，而且碳化硅本身在这样的高温下也不稳定，因此不宜采用扩散法掺杂，而要用离子注入掺杂。如果p型离子注入的杂质使用铝。由于铝原子比碳原子大得多，注入对晶格的损伤和杂质处于未激活状态的情况都比较严重，往往要在相当高的衬底温度下进行，并在更高的温度下退火。这样就带来了晶片表面碳化硅分解、硅原子升华的问题。目前，p型离子注入的问题还比较多，从杂质选择到退火温度的一系列工艺参数都还需要优化。

 

4，欧姆接触的制作。欧姆接触是器件电极引出十分重要的一项工艺。在碳化硅晶片上制造金属电极，要求接触电阻低于10- 5Ωcm2，电极材料用Ni和Al可以达到，但在100℃ 以上时热稳定性较差。采用Al/Ni/W/Au复合电极可以把热稳定性提高到600℃、100h ，不过其接触比电阻高达10- 3Ωcm2 。所以要形成好的碳化硅的欧姆接触比较难。

 

5，配套材料的耐温。碳化硅芯片可在600℃温度下工作，但与其配套的材料就不见得能耐此高温。例如，电极材料、焊料、外壳、绝缘材料等都限制了工作温度的提高。

 

以上仅举数例，不是全部。还有很多工艺问题还没有理想的解决办法，如碳化硅半导体表面挖槽工艺、终端钝化工艺、栅氧层的界面态对碳化硅MOSFET器件的长期稳定性影响方面，行业中还有没有达成一致的结论等，大大阻碍了碳化硅功率器件的快速发展。

 

 

早在20世纪60年代，碳化硅器件的优点已经为人们所熟知。之所以目前尚未推广普及，是因为存在着许多包括制造在内的许多技术问题。直到现在SIC材料的工业应用主要是作为磨料（金刚砂）使用。

 

SIC在能够控制的压力范围内不会融化，而是在约2500℃的升华点上直接转变为气态。所以SIC 单晶的生长只能从气相开始，这个过程比SIC的生长要复杂的多，SI在大约1400℃左右就会熔化。使SIC技术不能取得商业成功的主要障碍是缺少一种合适的用于工业化生产功率半导体器件的衬底材料。对SI的情况,单晶衬底经常指硅片（wafer）,它是从事生产的前提和保证。一种生长大面积 SIC衬底的方法以在20世纪70年代末研制成功。但是用改进的称为Lely方法生长的衬底被一种微管缺陷所困扰。

 

只要一根微管穿过高压PN结就会破坏PN结阻断电压的能力，在过去三年中，这种缺陷密度已从每平方毫米几万根降到几十根。除了这种改进外，当器件的最大尺寸被限制在几个平方毫米时，生产成品率可能在大于百分之几，这样每个器件的最大额定电流为几个安培。因此在SIC功率器件取得商业化成功之前需要对SIC的衬底材料作更大技术改进。

 

 

 

制造不同器件成品率为40% 和90% 的微管密度值

 

上图看出，现在SIC材料，光电子器件已满足要求，已经不受材料质量影响，器件的工业生产成品率，可靠性等性能也符合要求。高频器件主要包括MOSFET SCHOTTKY二极管内的单极器件。SIC材料的微管缺陷密度基本达到要求，仅对成品率还有一定影响。高压大功率器件用SIC材料大约还要二年的时间，进一步改善材料缺陷密度。总之不论现在存在什么困难，半导体如何发展， SIC无疑是新世纪一种充满希望的材料。

 

 

第3代半导体是指以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、金刚石、氧化锌（ZnO）为代表的宽禁带半导体材料，各类半导体材料的带隙能比较见表1。与传统的第1代、第2代半导体材料硅（Si）和砷化镓（GaAs）相比，第3代半导体具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小等独特的性能，使其在光电器件、电力电子、射频微波器件、激光器和探测器件等方面展现出巨大的潜力，是世界各国半导体研究领域的热点。

 

 

 

目前，第3代半导体材料正在引起清洁能源和新一代电子信息技术的革命，无论是照明、家用电器、消费电子设备、新能源汽车、智能电网、还是军工用品，都对这种高性能的半导体材料有着极大的需求。根据第3代半导体的发展情况，其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他4个领域，每个领域产业成熟度各不相同（见图1）。

 

图1. 第3代半导体各应用领域示意图

 

 

在4个应用领域中，半导体照明行业发展最为迅速，已形成百亿美元的产业规模。半导体照明所使用的材料体系主要分为3种：蓝宝石基GaN、SiC基GaN、Si基GaN，每种材料体系的产品都对应不同的应用。其中，蓝宝石基GaN是最常用的，也是最为成熟的材料体系，大部分LED照明都是通过这种材料体系制造的。SiC基GaN制造成本较高，但由于散热较好，非常适合制造低能耗、大功率照明器件。Si基GaN是3种材料体系中制造成本最低的，适用于低成本显示。

 

 

在电力电子领域，宽禁带半导体的应用刚刚起步，市场规模仅为几亿美元。其应用主要集中在军事尖端装备领域，正逐步向民用领域拓展。微波器件方面，GaN高频大功率微波器件已开始用于军用雷达、智能武器和通信系统等方面。在未来，GaN微波器件有望用于4G～5G移动通讯基站等民用领域。功率器件方面，GaN和SiC两种材料体系的应用领域有所区别。Si基GaN器件主要的应用领域为中低压（200～1 200V）， 如笔记本、高性能服务器、基站的开关电源；而SiC基GaN则集中在高压领域（＞1 200V），如太阳能发电、新能源汽车、高铁运输、智能电网的逆变器等器件。

 

 

在激光器和探测器应用领域，GaN基激光器可以覆盖到很宽的频谱范围，实现蓝、绿、紫外激光器和紫外探测的制造。紫色激光器可用于制造大容量光盘，其数据存储盘空间比蓝光光盘高出20倍。除此之外，紫色激光器还可用于医疗消毒、荧光激励光源等应用，总计市场容量为12亿美元。蓝色激光器可以和现有的红色激光器、倍频全固化绿色激光器一起，实现全真彩显示，使激光电视实现广泛应用。目前，蓝色激光器和绿光激光器产值约为2亿美元，如果技术瓶颈得到突破，潜在产值将达到500亿美元。GaN基紫外探测器可用于导弹预警、卫星秘密通信、各种环境监测、化学生物探测等领域，但尚未实现产业化。

 

 

在前沿研究领域，宽禁带半导体可用于太阳能电池、生物传感器、水制氢媒介、及其他一些新兴应用，目前这些热点领域还处于实验室研发阶段。

 

在以上4个应用领域中，半导体照明和电力电子器件2个领域成为了2014年初关注焦点。前者是因为美国“白炽灯”禁令于2014年1月1日开始实施，停止销售市场最畅销的40W和60W白炽灯，此举旨在推广紧凑型荧光灯、LED灯和其他高能效比节能灯泡。随着世界各国相继出台全面淘汰白炽灯的政策法规，预计2014年将成为半导体照明近期发展最快的一年。后者是受到美国政府“国家制造业创新网络”计划的影响。2014年1月15日，奥巴马总统宣布成立“新一代电力电子器件国家制造创新中心”，在未来5年内，该中心通过美国能源部投资7 000万美元，带动企业和研究机构投入7 000万美元以上匹配资金，致力于研发和制造高性能并具有价格竞争优势的半导体电力电子器件。中心将由美国北卡罗来纳州立大学领导，会同阿西布朗勃法瑞公司（ABB）、科锐公司（Cree, Inc）、射频微器件公司（RF Mico Devices, Inc.）、台达公司（Delta Products Inc.）、阿肯色电力电子国际公司（Arkansas Power Electronics International, Inc.）、东芝国际公司（Toshiba International Corporation）、美国海军研究实验室（U.S. Naval Research Laboratory）等超过25家公司、大学及政府机构，此举将极大地加速宽禁带半导体电力电子器件在民用领域的应用，并引发全球的关注。基于这些原因，本文将重点对上述2个领域近期的发展情况进行进一步的介绍。

 

 

随着照明科技的不断进步，半导体发光二极管（LED）作为一种固体照明光源，以其高光效、长寿命、节能环保、应用广泛等诸多优势，正在逐步替代传统的白炽灯，成为继白炽灯、荧光灯之后的又一次光源革命。LED灯比传统的白炽灯发光效率高80%左右，寿命长2倍，且不含汞、铅等有害物质，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。根据美国能源部研究报告，一个价值15美元的LED灯，在其生命周期内，将比白炽灯节省超过140美元的电费。

 

近年来，随着LED发光效率的大幅度提升，单位流明的价格逐步下降，各类创新产品不断涌现，照明质量不断提高。其应用已从最初的指示灯，逐步拓展到室内照明、舞台照明、景观照明等各个照明领域。目前，照明耗能约占整个电力消耗的20%左右，降低照明用电已成为节省能源的重要途径。为此，发达国家纷纷宣布白炽灯淘汰计划，积极推广LED照明，应对逐年的全球温室效应。美国、欧盟、日本、加拿大、澳大利亚、韩国等国相继宣布停止销售白炽灯。我国也将于2012-2016年，逐步淘汰白炽灯。

 

 

美国是半导体照明技术的领跑者，一直处于技术和产业的领先地位。为了减少照明电力的能源消耗，缓解能源枯竭，美国能源局自2000年就开始推动固态照明技术研究，逐步实现固态照明对传统照明的替代。随后，奥巴马的“美国能源新政”把发展新能源和可再生能源、提高能源使用效能、推动能源结构的调整作为促进美国经济复苏和创造就业最重要的举措。半导体照明技术被认为是能源应用领域中重要的技术创新之一，在美国能源结构的转型中发挥重要作用。

 

美国能源部的固态照明发展战略规划共获得美国国会2.98 亿美元的拨款，资助了超过200个研究项目。此计划取得了显著的经济和社会效益，根据相关研究报道，2012年LED灯为美国节省了71万亿BTU(英国热量单位)，相当于节省了6.75亿美元的能源开支。预计2030 年美国 LED照明的普及能够将能源消耗节省近半，2010-2030年期间所节省的累计电量将达2 700TWh，相当于剩下2 500亿美元的开销，也等同于18亿t二氧化碳排放量（见图2）。

 

除美国以外，其他发达国家也积极推动LED产业的发展。日本早在1998年就推出了“21世纪光计划”，投入60亿日元用于开发白光LED照明光源，计划在2020年实现100%的照明产品为新一代高效率照明。欧洲则于2000年开始的“彩虹计划”，通过欧盟补贴来推广LED的应用。在随后推出的“地平线2020”计划中，固体照明和OLED都被囊括其中，光电子领域的投入将达到7亿欧元。韩国在2002年提出“GaN半导体开发计划”，国家投入1亿美元推动LED照明发展。在随后的“15/30计划”中，又投入50亿韩元经费，进行LED照明的标准规范拟定作业，并规划在2015年前将境内30%的照明淘汰换成LED照明。

 

图2 美国能源部LED照明预测图

 

 

我国LED产业起步于20世纪70年代，发展迅速。在政府的大力扶持下，经过30多年的发展，已经初步形成了外延片、芯片、封装及产品应用完成产业链，成为全球照明产业变革中转型升级发展最快的区域之一。通过科技部推出的“十城万盏”半导体照明应用示范工程，截至2011年底，已经有420万盏以上LED灯具得到示范应用，实现年节电4.2亿kWh。根据国家半导体照明工程研发及产业联盟（CSA）的最新数据显示，2013年，我国功率型白光LED产业化光效达140 lm/W，拥有自主知识产权的功率型硅基LED 芯片产业化光效达到130 lm/W，芯片的国产化率达到75% 。

 

2013 年，我国半导体照明产业整体规模达到2 576 亿元，较2012 年的1 920 亿元增长34%。其中上游外延芯片生产产值规模达到105亿元，增长率为31.5%；中游封装产业规模达到403 亿元，增长率为26%；下游应用领域整体规模达到2 068 亿元，增长率达到36%。根据联盟预计，2014 年，国内半导体照明产业将继续保持高速增长，预计增长率达到40%左右。外延芯片产值增长率预计达到35%左右，封装产业预计增速在20%左右，应用环节产值增长率超过50%。

 

 

现阶段LED灯的整体发光效率可达130～160 lm/W，已经具有取代传统照明市场实力，预计发光效率还将快速提升，2015年将达到160～190 lm/W，2020年将达到235 lm/W左右（见表2）。目前，制约LED大规模应用的关键仍然是价格因素。虽然在过去的5年中，LED照明产品的售价有了大幅度的下降，但和普通的节能灯相比仍不具备价格优势（见图3）。近几年来，随着生产成本下降和资本大量流入的影响，这种局面开始产生变化，LED照明与传统照明产品之间的价格差距正在逐渐缩小。2013年末到2014年初，在许多国家和区域，无论是取代40W或是60W的LED灯最低售价都已经跌破10美元，全球这两种LED灯平均价格也分别下降到15美元和21美元的低位。许多人认为10美元的价格区间将是家庭住宅大规模选择使用LED灯具的一个关键转折点，因此2014年很有可能将成为LED照明需求快速增长的一年，成为LED照明产品的拐点年。预计2014年LED照明渗透率也将由8%～10%提升至32.7%，LED照明市场产值达到为353亿美元，较2013年成长 47.8%。到2020年，全球LED照明市场份额有望增长到840亿美元。

 

图3 取代60W的LED球泡灯价格预期

 

 

在20世纪，硅基半导体电力电子器件被广泛应用于计算机、通信和能源等行业，为人们带来了各种强大的电子设备，深刻地改变着每一个人的生活，在过去的几十年中一直推动着科学的进步和发展。随着硅基电力电子器件逐渐接近其理论极限值，利用宽禁带半导体材料制造的电力电子器件显示出比Si和GaAs更优异的特性，给电力电子产业的发展带来了新的生机。相对于Si材料，使用宽禁带半导体材料制造新一代的电力电子元件，可以变得更小、更快、更可靠和更高效。这将减少电力电子元件的质量、体积以及生命周期成本，允许设备在更高的温度、电压和频率下工作，使得电子电子器件使用更少的能量却可以实现更高的性能。基于这些优势，宽禁带半导体在家用电器、电力电子设备、新能源汽车、工业生产设备、高压直流输电设备、移动电话基站等系统中都具有广泛的应用前景。

 

 

最初，针对禁带半导体的研究与开发主要是为了满足军事国防方面的需求。早在1987年，美国政府和相关研究机构就促成了科锐公司（Cree）的成立，专门从事SiC半导体的研究。随后，美国国防部和能源部先后启动了“宽禁带半导体技术计划”和“氮化物电子下一代技术计划”，积极推动SiC和GaN宽禁带半导体技术的发展。美国政府一系列的部署引发了全球范围内的激烈竞争，欧洲和日本也相继开展了相关研究。欧洲开展了面向国防和商业应用的“KORRIGAN”计划和面向高可靠航天应用的“GREAT2”计划。日本则通过“移动通讯和传感器领域半导体器件应用开发”、“氮化镓半导体低功耗高频器件开发”等计划推动第3代半导体在未来通信系统中的应用。经过多年的发展，发达国家在宽禁带半导体材料、器件及系统的研究上取得了丰硕的成果，实现了在军事国防领域的广泛应用。

 

由于SiC和GaN两种材料的特性不同，它们的应用领域也有所区别：GaN主要是用作微波器件，而SiC主要是作为大功率高频功率器件。GaN材料的功率密度是现有GaAs器件的10倍，是制造微波器件的理想材料，被应用于雷达、电子对抗、智能化系统及火控装备，用来提高雷达性能和减小体积。根据报道，美国海军新一代干扰机吊舱、空中和导弹防御雷达AMDR正在采用GaN来替代GaAs 器件，以取代洛马公司的SPY-1相控阵雷达（宙斯盾系统核心雷达）。SiC则应用于高压、高温、强辐照等恶劣条件下工作的舰艇、飞机及智能武器电磁炮等众多军用电子系统，起到抵抗极端环境和降低能耗的作用。美国新型航空母舰CVN-21级福特号配备的4个电磁弹射系统均靠电力驱动，能在300英尺的距离内把飞机速度提高到160海里/h。其区域配电系统采用全SiC器件为基础的固态功率变电站，这使得每个变压器的质量从6t减少为1.7t，体积从10m3减少为2.7m3。

 

 

随着在军事领域的应用逐步成熟，宽禁带半导体的应用开始逐步拓展到民用应用领域，其节能效应也将惠及到国民经济的方方面面。近年来，信息技术在原有基础上又得到快速发展，大量的以新技术为基础的新产品、新应用正在迅速普及，所带来的电力电子设备的能源消耗量也快速增长。根据预测，美国电力电子设备用电量占总量的比例将从2005年的30%增长到2030年的80%。半导体在节能领域中应用最多就是功率器件，绝大多数电子产品都会使用到一颗或多颗功率器件产品。宽禁带半导体的带隙明显大于硅半导体，从而可有效减小电子跨越的鸿沟，减少能源损耗。其相关器件的推广应用将给工业电机系统、消费类电子产品、新能源等领域带来深远的影响（见图4）。

 

图4 宽禁带半导体的应用领域示意图

 

（1）工业电机系统

 

在传统工业控制领域，交流电机控制、工业传动装置、机车与列车用电源以及供暖系统传动装置等都需要功率器件。对于工业电机系统来说，更高效、更紧凑的宽禁带半导体变频驱动器可使电机的转速实现动态调整，这将使得泵、风机、压缩机及空调系统所用的各类驱动电机变得更加高效、节能。根据报道，在美国，电机系统用电量占制造业的70%左右，通过使用宽禁带半导体变频驱动器，美国每年直接节省的电力相当于100万户美国家庭用电的年消耗量。随着宽禁带半导体变频驱动器的应用逐步扩展，最终节省的电力可供690万户美国家庭使用。

 

（2）消费电子产品

 

消费电子产品将是宽禁带半导体应用的另一大领域。目前，家庭拥有的电器总量惊人，各类家电通常都需要各种不同的功率器件控制；公共场所空调、照明、装饰、显示、计算机、自动控制等也需要大量的功率器件。笔记本电脑、智能手机、平板电脑、计算机和服务器等消费电子产品所使用的电源转换器虽然单个能耗不大，但其使用数量庞大，损耗总和相当惊人。宽禁带半导体芯片可以消除整流器在进行交直流转换时90%的能量损失，还可以使笔记本电源适配器体积缩小80%。通过使用宽禁带半导体，美国在此领域节约的电力可供130万户美国家庭使用。

 

（3）新能源领域

 

为了摆脱对化石燃料的依赖、减少温室气体的排放，各国政府都开始大力发展可再生能源产业。太阳能发电和风能发电系统所产生的电力需要从直流电源转换成交流电，继而才能与电网相连接使用。由于风能的不稳定性，风力发电机输出非固定频率的交流电，需要进行交-直-交的转换才能并网使用。宽禁带半导体逆变器可以使得这个过程的效率更高，美国每年节省的电力足够供美国75万户家庭使用。此外，对于智能电网来说，使用宽禁带半导体制成的逆变器、变压器和晶体管等，有助于克服发电、输电、配电及终端使用所面临的一系列问题，帮助建立一个更智能、更可靠、更具弹性的新一代电网。例如，一个宽禁带半导体逆变器，其性能是传统逆变器性能的4倍，同时成本和质量分别减少50%和25%。对于较大规模的逆变器，宽禁带半导体逆变器的质量可以减轻大约3 600kg。

 

在电动汽车和混合动力汽车领域，宽禁带半导体可以把直流快充电站缩小到微波炉一样大小，并减少2/3的电力损失。由于这些电子产品可以承受更高的工作温度，可使得车辆冷却系统的体积减少60%，甚至消除了二次液体冷却系统。

 

 

基于宽禁带半导体的广阔应用前景、巨大的市场需求和经济效益，继半导体照明以后，美国将第三代半导体材料的电子电力器件应用提升到国家战略的高度，确保美国在这一领域的优势地位。相对于半导体照明行业，宽禁带半导体在电子电力领域的应用刚刚起步，但预计其潜在市场容量超过300亿美元。

 

功率器件方面，2012年全球SiC和GaN基功率器件市场的销售规模仅为1亿多美元，大部分应用集中在电源。其中，SiC基器件的市场规模达到9 000万美元，而GaN基器件仅为1 000多万。2013年，各大企业纷纷推出GaN功率器件样品，这标志着其在民用市场的商业化进程开始加速。随着价格下降和产量的增加，预计市场拐点或将出现在2015年。SiC基器件的价格有望下降到2012年的一半左右，GaN基器件的价格也可能进一步下降，届时市场规模有望接近5亿美元。2020年，市场规模将达到20亿美元，相比2012年提高20倍。微波器件方面，2012年GaN基微波器件市场收入接近9 000万美元，预计GaN整体市场微波及功率器件到2015年达到3.5亿美元。

 

我国开展SiC和GaN材料及器件方面的研究工作比较晚，在科技部及军事预研项目的支持下，取得了一定的成果，逐步缩小了与国外先进技术的差距，在军工领域已取得了一些应用。但是，研究的主要成果还停留在实验室阶段，器件性能离国外的报道还有很大差距。目前，已有少数企业成功开发SiC和GaN材料及器件，GaN微波器件和SiC功率器件于2013年进入小批量生产阶段，预计在未来2～3年内将实现量产。

 

来源：宽禁带半导体技术创新联盟。作者：于灏、蔡永香、卜雨洲、谢潜思

 

 

 

 

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