記者日前從西安電子科技大學寬帶隙半導體技術重點學科實驗室獲悉，由張玉明教授帶領的團隊，在高壓碳化硅功率器件研究方面取得重要進展，該團隊近期成功自主研發了兩類高性能高壓碳化硅功率器件。

其中，碳化硅縱向雙注入金屬氧化物半導體場效應晶體管（SiC VDMOSFET）正向最大電流2.5A，擊穿電壓1200V；不同功率等級的碳化硅結勢壘肖特基二極管（SiC JBS），其性能指標分別達到了1200V/100A 、3300V/ 50A 、5000V/5A和6400V/500mA，碳化硅二極管的封裝模塊最大功率達到0.5MW。

這兩類器件實現的性能指標，已達到國內外公開報道的較高水平，有望突破國外相關單位在高端電力電子芯片領域的壟斷地位。

碳化硅半導體材料和器件的優越性

碳化硅是什么？它與廣泛使用的硅材料有什么不一樣的地方？

“目前95%以上的半導體器件和99%以上的集成電路，實際上都是由硅材料制作的。”張玉明說，“但隨著應用范圍的擴大，以硅材料為主的半導體，已經無法滿足高溫、高壓、抗輻射等方面要求，而碳化硅材料則是硅材料的有益補充。”

張玉明介紹說，作為一種寬禁帶半導體材料，碳化硅半導體不但擊穿電場強度高、熱穩定性好，還具有載流子飽和漂移速度高、熱導率高等特點，可以用來制造各種耐高溫的高頻、高效大功率器件，應用于硅器件難以勝任的場合。

“10倍于硅材料的擊穿電場、3倍于硅材料的熱導率、3倍于硅材料的帶隙寬度，簡單地說，這就是碳化硅材料的優越性。”張玉明舉例說，碳化硅半導體器件的運用，可以將一個變電站的體積縮小至一個手提箱的大小，同時還能在更高溫度和更高電壓及頻率的環境下正常工作，消耗更少的電力。

為什么有這種顯著的效果呢？張玉明說，一是因為碳化硅半導體器件的高耐受電壓，可以減少高壓應用時的串聯器件數，大大簡化設備和系統；二是因為其耐高溫特性，可以降低冷卻裝備的容量，大幅提高設備穩定性；三是因為其高頻特性，可以減小開關器件的開通和關斷損耗，提高電力傳送效率。

據介紹，碳化硅半導體已經成為近年來國際研究的熱點。2013年，日本政府將碳化硅納入“首相戰略”，認為未來50%的節能要通過它來實現。2014年初，奧巴馬親自主導成立了美國碳化硅產業聯盟，以碳化硅半導體為代表的第三代寬禁帶半導體，獲得了美國聯邦和地方政府的合力支持。

致力于碳化硅半導體領域研究20年

據介紹，西安電子科技大學微電子學院張玉明教授團隊，從1995年開始就在國內率先開展了碳化硅半導體材料與器件的研究工作，其研究水平一直處于國內領先地位。

研究團隊曾成功研制了國內第一個MPS二極管、國內第一個碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管和國內第一個增強型碳化硅埋溝金屬氧化物半導體場效應晶體管。目前，實驗室可以生長2-3英寸碳化硅外延材料，滿足高功率碳化硅器件制備的要求。

“我們目前從事碳化硅半導體研究的團隊，共有9名教師、20余名博士和50余名碩士。可以說，在碳化硅研究領域，我們的研究團隊在國內是規模最大、程度最深、水平最高的。”張玉明說，他們近年來在國家重大專項、教育重大支撐計劃等項目支持下，研究團隊已經在碳化硅基礎理論、外延材料生長和功率器件領域取得顯著進展，發表了一系列高水平論文。

張玉明介紹說，這次自主研發的兩類高性能高壓碳化硅晶體管，主要突破了電場調制終端保護技術、柵介質界面改善技術、有源區版圖優化架構設計等多項關鍵技術。

“值得一提的是，擊穿電壓超過6000V的硅結型式壘肖特基二極管，無論在國內市場還是在國際市場上，是有錢也買不到的，因為別人不出口。更重要的是，我們研發的這類晶體管，是一個系列產品，能夠滿足不同狀態下的使用要求。”張玉明說。“目前，我們正在和公司積極開展合作，未來產品有望突破國外相關單位在高端電力電子芯片領域的壟斷地位。”

碳化硅功率器件應用前景和市場潛力巨大

據市場調研機構IHS公司在《SiC和GaN功率半導體世界市場-2014版》報告中指出，受到混合和電動汽車、光伏逆變器和其他應用對電力供應需求增長的激勵，全球碳化硅和氮化鎵功率半導體新興市場在未來10年將增長17倍，從2013年的1.5億美元增長到2023年的25億美元。

張玉明說，碳化硅功率器件能夠廣泛應用于電力推動、新能源汽車、軌道交通、家電、智能電網、太陽能、風力發電、電壓轉換等領域，實現能源轉換系統性能的顛覆性的轉變，對國家節能降耗起到重大作用。

一方面應用前景廣市場潛力巨大，另一方面也是一場各國之間的技術競賽。張玉明介紹說，半導體碳化硅襯底及芯片，具有重要的戰略價值，一直是美國商務部規定的處于榜首的禁運產品，亟待打破這種壟斷局面。

在談到碳化硅半導體器件當前的應用時，張玉明介紹說，由于高壓大電流需要更厚的外延層和更大的芯片面積，導致了碳化硅半導體器件目前的成品率不高，加之碳化硅制備工藝難度大，碳化硅半導體器件目前的價格，與硅半導體器件還存在一定距離。“不過，隨著技術不斷進步，碳化硅器件的前景很廣闊，未來的價格有望繼續降低。”

來源：西電新聞網