第三代半導體未來之星——碳化硅
一、碳化硅晶體結構
四、碳化硅半導體的優勢 五、碳化硅半導體產業鏈 六、碳化硅寬禁帶半導體目前存在的問題 1. 大尺寸SiC單晶襯底制備技術仍不成熟。 目前國際上已經開發出了8英寸SiC單晶樣品,單晶襯底尺寸仍然偏小、缺陷水平仍然偏高。并且缺乏更高效的SiC單晶襯底加工技術;p型襯底技術的研發較為滯后。 2.n型SiC外延生長技術有待進一步提高。 3.SiC功率器件的市場優勢尚未完全形成,尚不能撼動目前硅功率半導體器件市場上的主體地位。 國際SiC器件領域:SiC功率器件向大容量方向發展受限制;SiC器件工藝技術水平比較低;缺乏統一的測試評價標準。 中國SiC功率器件領域存在以下3個方面差距: (1)在SiCMOSFET器件方面的研發進展緩慢,只有少數單位具備獨立的研發能力,產業化水平不容樂觀。 4.目前SiC功率模塊存在的主要問題: (1)采用多芯片并聯的SiC功率模塊,會產生較嚴重的電磁干擾和額外損耗,無法發揮SiC器件的優良性能;SiC功率模塊雜散參數較大,可靠性不高。 (2)SiC功率高溫封裝技術發展滯后。 5.SiC功率器件的驅動技術尚不成熟。 6.SiC器件的應用模型尚不能全面反映SiC器件的物理特性。一般只適合于對精度要求較低的常規工業場合。 七、SiC器件在各行各業中的應用及優勢 電源/大型服務器:用于電源及功率因數校正器內部,減積減重、提高效率、降低損耗。 光伏:用于光伏逆變器中,光伏發電產生的電流為直流電,需要通過逆變器轉換為交流電以實現并網。采用SiC功率器件可以減積減重;提高逆變轉化效率2%左右,綜合轉換效率達到98%;降低損耗,提高光伏發電站經濟效益;SiC材料特性,降低故障率。 風電:用于風電整流器、逆變器、變壓器,風力發電產生的交流電易受風力影響使得電壓、電流不穩定,先要經過整流為直流電后再逆變成交流電實現并網,提高效率、降低損耗,同時成本和質量分別減少50%和25%。 新能源汽車車載充電機(OBC):減積減重、提高效率、降低損耗。 新能源汽車電機驅動系統:利用SiC功率模塊體積比硅基模塊縮小1/3~2/3,減積減重;電力損耗減少47%,開關損耗85%,提升電力使用效率;開關頻率可達硅基IGBT10倍以上,提高開關頻率將顯著減小電感器、電容器等周邊部件的體積和成本。減積減重;發熱量也只有硅器件的1/2,有非常優異的高溫穩定性,散熱處理更容易,散熱體積減小,可使得車輛冷卻系統的體積減少60%,甚至消除了二次液體的冷卻系統,減積減重;可實現逆變器與馬達一體化,減積減重。可綜合提高新能源汽車5%~10%左右的續航里程。 新能源汽車直流充電樁:減積減重;提高充電效率至少1%,達到96%以上的轉化效率;由于SiC功率器件對溫度依賴性較低,提高夏季高溫時段電能轉化效率;降低電能損耗,提升大型充電站的經濟效益;充電樁系統成本與硅基基本持平,性價比較高。 空調:用于變頻空調前端的功率因數校正(PFC)電源內部,體積和質量大幅減少1/2以上,功耗降低15%,綜合成本降低10%。 軌道交通:采用SiC逆變器,可使車輛系統電力損耗降低30%以上,零部件體積及質量減少40%,效率及速度提升。 電磁感應加熱:減積減重、提高效率、降低損耗。 軍工領域:各種車載、機載、船載、彈載等電源裝置,減積減重、提高效率、降低損耗。 碳化硅憑借其優良的物理化學性質獲得了廣泛的應用,迅速占領了半導體材料市場的半壁江山。隨著生產成本的不斷下降,優異的性能讓碳化硅在功率器件的行業中實現了對硅單質半導體的逐步取代。而面對世界范圍內發展空間巨大的碳化硅半導體市場,我國需要盡快提升研發實力,完善碳化硅半導體的發展體系。
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