碳化矽由於化學性能穩定、導熱係數高、熱膨脹係數小、耐磨性能好，除作磨料用外，還有很多其他用途，例如：以特殊工藝把碳化矽粉末塗布於水輪機葉輪或汽缸體的內壁，可提高其耐磨性而延長使用壽命1～2倍；用以製成的高級耐火材料，耐熱震、體積小
、重量輕而強度高，節能效果好。低品級碳化矽（含SiC約85%）是極好的脫氧劑，用它可加快煉鋼速度

，並便於控製化學成分，提高鋼的質量。此外
，碳化矽還大量用於製作電熱元件矽碳棒。

 

碳化矽的硬度很大,莫氏硬度為9.5級，僅次於世界上最硬的金剛石（10級），具有優良的導熱性能，是一種半導體，高溫時能抗氧化。

 

 

 

到現在已經有很多廠商生產碳化矽器件比如Cree公司、Microsemi公司、Infineon公司、Rohm公司。

 

 

碳化矽（SiC）是目前發展最成熟的寬禁帶半導體材料，世界各國對SiC的研究非常重視，紛紛投入大量的人力物力積極發展，美國、歐洲、日本等不僅從國家層麵上製定了相應的研究規劃，而且一些國際電子業巨頭也都投入巨資發展碳化矽半導體器件。

 

與普通矽相比，采用碳化矽的元器件有如下特性：

 

 

 

 

 

 

 

在Si材料已經接近理論性能極限的今天
，SiC功率器件因其高耐壓、低損耗
、高效率等特性，一直被視為“理想器件”而備受期待。然而，相對於以往的Si材質器件，SiC功率器件在性能與成本間的平衡以及其對高工藝的需求，將成為SiC功率器件能否真正普及的關鍵。

 

目前,低功耗的碳化矽器件已經從實驗室進入了實用器件生產階段。目前碳化矽圓片的價格還較高,其缺陷也多。通過不斷的研究開發,預計到2010年前後,碳化矽器件將主宰功率器件的市場。但實際上並非如此。

 

 

 

 

 

SiC-MOSFET 是碳化矽電力電子器件研究中最受關注的器件。成果比較突出的就是美國的Cree公司和日本的ROHM公司。

 

在Si材料已經接近理論性能極限的今天
，SiC功率器件因其高耐壓
、低損耗
、高效率等特性

，一直被視為“理想器件”而備受期待。然而，相對於以往的Si材質器件，SiC功率器件在性能與成本間的平衡以及其對高工藝的需求
，將成為SiC功率器件能否真正普及的關鍵。

 

 

碳化矽MOSFET（SiC MOSFET）N+源區和P井摻雜都是采用離子注入的方式，在1700℃溫度中進行退火激活。另一個關鍵的工藝是碳化矽MOS柵氧化物的形成。由於碳化矽材料中同時有Si和C兩種原子存在，需要非常特殊的柵介質生長方法。其溝槽星結構的優勢如下：

 

 

 

SiC-MOSFET采用溝槽結構可最大限度地發揮SiC的特性。

 

 

 

矽IGBT在一般情況下隻能工作在20kHz以下的頻率。由於受到材料的限製，高壓高頻的矽器件無法實現。碳化矽MOSFET不僅適合於從600V到10kV的廣泛電壓範圍，同時具備單極型器件的卓越開關性能。相比於矽IGBT，碳化矽MOSFET在開關電路中不存在電流拖尾的情況具有更低的開關損耗和更高的工作頻率。

 

20kHz的碳化矽MOSFET模塊的損耗可以比3kHz的矽IGBT模塊低一半， 50A的碳化矽模塊就可以替換150A的矽模塊。顯示了碳化矽MOSFET在工作頻率和效率上的巨大優勢。

 

碳化矽MOSFET寄生體二極管具有極小的反向恢複時間trr和反向恢複電荷Qrr。如圖所示，同一額定電流900V的器件
，碳化矽MOSFET 寄生二極管反向電荷隻有同等電壓規格矽基MOSFET的5%。對於橋式電路來說（特別當LLC變換器工作在高於諧振頻率的時候），這個指標非常關鍵，它可以減小死區時間以及體二極管的反向恢複帶來的損耗和噪音
，便於提高開關工作頻率。

 

 

 

碳化矽MOSFET模塊在光伏
、風電、電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)及(ji)軌(gui)道(dao)交(jiao)通(tong)等(deng)中(zhong)高(gao)功(gong)率(lv)電(dian)力(li)係(xi)統(tong)應(ying)用(yong)上(shang)具(ju)有(you)巨(ju)大(da)的(de)優(you)勢(shi)。碳(tan)化(hua)矽(gui)器(qi)件(jian)的(de)高(gao)壓(ya)高(gao)頻(pin)和(he)高(gao)效(xiao)率(lv)的(de)優(you)勢(shi)，可(ke)以(yi)突(tu)破(po)現(xian)有(you)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)電(dian)機(ji)設(she)計(ji)上(shang)因(yin)器(qi)件(jian)性(xing)能(neng)而(er)受(shou)到(dao)的(de)限(xian)製(zhi)，這(zhe)是(shi)目(mu)前(qian)國(guo)內(nei)外(wai)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)電(dian)機(ji)領(ling)域(yu)研(yan)發(fa)的(de)重(zhong)點(dian)。如(ru)電(dian)裝(zhuang)和(he)豐(feng)田(tian)合(he)作(zuo)開(kai)發(fa)的(de)混(hun)合(he)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)（HEV）、純電動汽車（EV）內功率控製單元（PCU）
，使用碳化矽MOSFET模塊，體積比減小到1/5。三菱開發的EV馬達驅動係統，使用SiC MOSFET模塊，功率驅動模塊集成到了電機內，實現了一體化和小型化目標。預計在2018年-2020年碳化矽MOSFET模塊將廣泛應用在國內外的電動汽車上。

 

 

碳化矽肖特基二極管

 

 

碳化矽肖特基二極管（SiC SBD）的器件采用了結勢壘肖特基二極管結構（JBS）

，可以有效降低反向漏電流，具備更好的耐高壓能力。

 

 

碳化矽肖特基二極管是一種單極型器件，因此相比於傳統的矽快恢複二極管（Si FRD）

，碳化矽肖特基二極管具有理想的反向恢複特性。在器件從正向導通向反向阻斷轉換時，幾乎沒有反向恢複電流（如圖1.2a）
，反向恢複時間小於20ns
，甚至600V10A的碳化矽肖特基二極管的反向恢複時間在10nsyinei。yincitanhuaguixiaotejierjiguankeyigongzuozaigenggaodepinlv
，zaixiangtongpinlvxiajuyougenggaodexiaolv。lingyigezhongyaodetedianshitanhuaguixiaotejierjiguanjuyouzhengdewenduxishu，suizhewendudeshangshengdianzuyezhujianshangsheng，zheyuguiFRD正好相反。這使得碳化矽肖特基二極管非常適合並聯實用
，增加了係統的安全性和可靠性。

 

概括碳化矽肖特基二極管的主要優勢，有如下特點：

 

 

 

碳化矽肖特基二極管可廣泛應用於開關電源、功率因素校正（PFC）電路、不間斷電源（UPS）、光伏逆變器等中高功率領域，可顯著的減少電路的損耗，提高電路的工作頻率。在PFC電路中用碳化矽SBD取代原來的矽FRD，可使電路工作在300kHz以上
，效率基本保持不變，而相比下使用矽FRD的電路在100kHz以上的效率急劇下降。隨著工作頻率的提高
，電感等無源原件的體積相應下降
，整個電路板的體積下降30%以上。

 

 

幾乎凡能讀到的文章都是這樣介紹碳化矽：
 

碳化矽的能帶間隔為矽的2.8倍(寬禁帶),達到3.09電子伏特。其絕緣擊穿場強為矽的5.3倍,高達3.2MV/cm.其導熱率是矽的3.3倍,為49w/cm.k。由碳化矽製成的肖特基二極管及MOS場效應晶體管,與相同耐壓的矽器件相比,其漂移電阻區的厚度薄了一個數量級。其雜質濃度可為矽的2個數量級。由此,碳化矽器件的單位麵 積的阻抗僅為矽器件的100分(fen)之(zhi)一(yi)。它(ta)的(de)漂(piao)移(yi)電(dian)阻(zu)幾(ji)乎(hu)就(jiu)等(deng)於(yu)器(qi)件(jian)的(de)全(quan)部(bu)電(dian)阻(zu)。因(yin)而(er)碳(tan)化(hua)矽(gui)器(qi)件(jian)的(de)發(fa)熱(re)量(liang)極(ji)低(di)。這(zhe)有(you)助(zhu)於(yu)減(jian)少(shao)傳(chuan)導(dao)和(he)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)，工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)一(yi)般(ban)也(ye)要(yao)比(bi)矽(gui)器(qi)件(jian)高(gao)10倍以上。此外，碳化矽半導體還有的固有的強抗輻射能力。

 

近年利用碳化矽材料製作的IGBT(絕緣柵雙極晶體管)等功率器件,已可采用少子注入等工藝,使其通態阻抗減為通常矽器件的十分之一。再加上碳化矽器件本身發熱量小,因而碳化矽器件的導熱性能極優。還有,碳化矽功率器件可在400℃的高溫下正常工作。其可利用體積微小的器件控製很大的電流。工作電壓也高得多。

 

 

1，技術參數：舉例來說，肖特基二極管電壓由250伏提高到1000伏以上
，芯片麵積小了，但電流隻有幾十安。工作溫度提高到180℃，離介紹能達600℃相差很遠。壓降更不盡人意
，與矽材料沒有差別，高的正向壓降要達到2V。

 

2，市場價格：約為矽材料製造的5到6倍。

 

 

綜合各種報道
，難題不在芯片的原理設計，特別是芯片結構設計解決好並不難。難在實現芯片結構的製作工藝。

 

舉例如下：

 

1，碳tan化hua矽gui晶jing片pian的de微wei管guan缺que陷xian密mi度du。微wei管guan是shi一yi種zhong肉rou眼yan都dou可ke以yi看kan得de見jian的de宏hong觀guan缺que陷xian，在zai碳tan化hua矽gui晶jing體ti生sheng長chang技ji術shu發fa展zhan到dao能neng徹che底di消xiao除chu微wei管guan缺que陷xian之zhi前qian，大da功gong率lv電dian力li電dian子zi器qi件jian就jiu難nan以yi用yong碳tan化hua矽gui來lai製zhi造zao。盡jin管guan優you質zhi晶jing片pian的de微wei管guan密mi度du已yi達da到dao不bu超chao過guo15cm-2 的水平。但器件製造要求直徑超過100mm的碳化矽晶體
，微管密度低於0.5cm-2 。

 

2
，外延工藝效率低。碳化矽的氣相同質外延一般要在1500℃以上的高溫下進行。由於有升華的問題，溫度不能太高，一般不能超過1800℃，因而生長速率較低。液相外延溫度較低、速率較高，但產量較低。

 

3，摻雜工藝有特殊要求。如用擴散方法進行慘雜，碳化矽擴散溫度遠高於矽，此時掩蔽用的SiO2層已失去了掩蔽作用，而且碳化矽本身在這樣的高溫下也不穩定，因此不宜采用擴散法摻雜，而要用離子注入摻雜。如果p型(xing)離(li)子(zi)注(zhu)入(ru)的(de)雜(za)質(zhi)使(shi)用(yong)鋁(lv)。由(you)於(yu)鋁(lv)原(yuan)子(zi)比(bi)碳(tan)原(yuan)子(zi)大(da)得(de)多(duo)
，注(zhu)入(ru)對(dui)晶(jing)格(ge)的(de)損(sun)傷(shang)和(he)雜(za)質(zhi)處(chu)於(yu)未(wei)激(ji)活(huo)狀(zhuang)態(tai)的(de)情(qing)況(kuang)都(dou)比(bi)較(jiao)嚴(yan)重(zhong)
，往(wang)往(wang)要(yao)在(zai)相(xiang)當(dang)高(gao)的(de)襯(chen)底(di)溫(wen)度(du)下(xia)進(jin)行(xing)，並(bing)在(zai)更(geng)高(gao)的(de)溫(wen)度(du)下(xia)退(tui)火(huo)。這(zhe)樣(yang)就(jiu)帶(dai)來(lai)了(le)晶(jing)片(pian)表(biao)麵(mian)碳(tan)化(hua)矽(gui)分(fen)解(jie)


、矽原子升華的問題。目前，p型離子注入的問題還比較多，從雜質選擇到退火溫度的一係列工藝參數都還需要優化。

 

4，歐姆接觸的製作。歐姆接觸是器件電極引出十分重要的一項工藝。在碳化矽晶片上製造金屬電極
，要求接觸電阻低於10- 5Ωcm2
，電極材料用Ni和Al可以達到，但在100℃ 以上時熱穩定性較差。采用Al/Ni/W/Au複合電極可以把熱穩定性提高到600℃、100h ，不過其接觸比電阻高達10- 3Ωcm2 。所以要形成好的碳化矽的歐姆接觸比較難。

 

5，配套材料的耐溫。碳化矽芯片可在600℃溫度下工作，但與其配套的材料就不見得能耐此高溫。例如
，電極材料
、焊料、外殼
、絕緣材料等都限製了工作溫度的提高。

 

以上僅舉數例
，不是全部。還有很多工藝問題還沒有理想的解決辦法，如碳化矽半導體表麵挖槽工藝、終端鈍化工藝、柵氧層的界麵態對碳化矽MOSFET器件的長期穩定性影響方麵，行業中還有沒有達成一致的結論等，大大阻礙了碳化矽功率器件的快速發展。

 

 

早在20世紀60年代，碳化矽器件的優點已經為人們所熟知。之所以目前尚未推廣普及，是因為存在著許多包括製造在內的許多技術問題。直到現在SIC材料的工業應用主要是作為磨料（金剛砂）使用。

 

SIC在能夠控製的壓力範圍內不會融化
，而是在約2500℃的升華點上直接轉變為氣態。所以SIC 單晶的生長隻能從氣相開始，這個過程比SIC的生長要複雜的多，SI在大約1400℃左右就會熔化。使SIC技術不能取得商業成功的主要障礙是缺少一種合適的用於工業化生產功率半導體器件的襯底材料。對SI的情況,單晶襯底經常指矽片（wafer）,它是從事生產的前提和保證。一種生長大麵積 SIC襯底的方法以在20世紀70年代末研製成功。但是用改進的稱為Lely方法生長的襯底被一種微管缺陷所困擾。

 

隻要一根微管穿過高壓PN結就會破壞PN結jie阻zu斷duan電dian壓ya的de能neng力li，在zai過guo去qu三san年nian中zhong
，這zhe種zhong缺que陷xian密mi度du已yi從cong每mei平ping方fang毫hao米mi幾ji萬wan根gen降jiang到dao幾ji十shi根gen。除chu了le這zhe種zhong改gai進jin外wai，當dang器qi件jian的de最zui大da尺chi寸cun被bei限xian製zhi在zai幾ji個ge平ping方fang毫hao米mi時shi
，生sheng產chan成cheng品pin率lv可ke能neng在zai大da於yu百bai分fen之zhi幾ji，這zhe樣yang每mei個ge器qi件jian的de最zui大da額e定ding電dian流liu為wei幾ji個ge安an培pei。因yin此ci在zaiSIC功率器件取得商業化成功之前需要對SIC的襯底材料作更大技術改進。

 

 

 

製造不同器件成品率為40% 和90% 的微管密度值

 

上圖看出，現在SIC材料，光電子器件已滿足要求，已經不受材料質量影響，器件的工業生產成品率，可靠性等性能也符合要求。高頻器件主要包括MOSFET SCHOTTKY二極管內的單極器件。SIC材料的微管缺陷密度基本達到要求
，僅對成品率還有一定影響。高壓大功率器件用SIC材料大約還要二年的時間，進一步改善材料缺陷密度。總之不論現在存在什麼困難，半導體如何發展， SIC無疑是新世紀一種充滿希望的材料。

 

 

第3代半導體是指以氮化镓（GaN）、碳化矽（SiC）
、金剛石、氧化鋅（ZnO）為代表的寬禁帶半導體材料
，各類半導體材料的帶隙能比較見表1。與傳統的第1代
、第2代半導體材料矽（Si）和砷化镓（GaAs）相比，第3代半導體具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大、電子飽和漂移速度高、介電常數小等獨特的性能，使其在光電器件、電力電子

、射頻微波器件、激光器和探測器件等方麵展現出巨大的潛力
，是世界各國半導體研究領域的熱點。

 

 

 

目前
，第3代半導體材料正在引起清潔能源和新一代電子信息技術的革命
，無論是照明、家用電器
、消費電子設備、新能源汽車、智能電網、還是軍工用品，都對這種高性能的半導體材料有著極大的需求。根據第3代半導體的發展情況
，其主要應用為半導體照明、電力電子器件、激光器和探測器、以及其他4個領域，每個領域產業成熟度各不相同（見圖1）。

 

圖1. 第3代半導體各應用領域示意圖

 

 

在4個應用領域中
，半導體照明行業發展最為迅速，已形成百億美元的產業規模。半導體照明所使用的材料體係主要分為3種：藍寶石基GaN、SiC基GaN
、Si基GaN，每種材料體係的產品都對應不同的應用。其中
，藍寶石基GaN是最常用的，也是最為成熟的材料體係，大部分LED照明都是通過這種材料體係製造的。SiC基GaN製造成本較高
，但由於散熱較好
，非常適合製造低能耗、大功率照明器件。Si基GaN是3種材料體係中製造成本最低的
，適用於低成本顯示。

 

 

在(zai)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)領(ling)域(yu)，寬(kuan)禁(jin)帶(dai)半(ban)導(dao)體(ti)的(de)應(ying)用(yong)剛(gang)剛(gang)起(qi)步(bu)，市(shi)場(chang)規(gui)模(mo)僅(jin)為(wei)幾(ji)億(yi)美(mei)元(yuan)。其(qi)應(ying)用(yong)主(zhu)要(yao)集(ji)中(zhong)在(zai)軍(jun)事(shi)尖(jian)端(duan)裝(zhuang)備(bei)領(ling)域(yu)，正(zheng)逐(zhu)步(bu)向(xiang)民(min)用(yong)領(ling)域(yu)拓(tuo)展(zhan)。微(wei)波(bo)器(qi)件(jian)方(fang)麵(mian)，GaN高頻大功率微波器件已開始用於軍用雷達、智能武器和通信係統等方麵。在未來，GaN微波器件有望用於4G～5G移動通訊基站等民用領域。功率器件方麵，GaN和SiC兩種材料體係的應用領域有所區別。Si基GaN器件主要的應用領域為中低壓（200～1 200V）， 如筆記本、高性能服務器、基站的開關電源
；而SiC基GaN則集中在高壓領域（＞1 200V），如太陽能發電、新能源汽車、高鐵運輸、智能電網的逆變器等器件。

 

 

在激光器和探測器應用領域，GaN基激光器可以覆蓋到很寬的頻譜範圍
，實現藍、綠、紫外激光器和紫外探測的製造。紫色激光器可用於製造大容量光盤，其數據存儲盤空間比藍光光盤高出20倍。除此之外，紫色激光器還可用於醫療消毒
、熒光激勵光源等應用，總計市場容量為12億美元。藍色激光器可以和現有的紅色激光器、倍頻全固化綠色激光器一起
，實現全真彩顯示
，使激光電視實現廣泛應用。目前
，藍色激光器和綠光激光器產值約為2億美元，如果技術瓶頸得到突破，潛在產值將達到500億美元。GaN基紫外探測器可用於導彈預警、衛星秘密通信
、各種環境監測
、化學生物探測等領域，但尚未實現產業化。

 

 

在前沿研究領域，寬禁帶半導體可用於太陽能電池、生物傳感器、水製氫媒介、及其他一些新興應用，目前這些熱點領域還處於實驗室研發階段。

 

在以上4個應用領域中，半導體照明和電力電子器件2個領域成為了2014年初關注焦點。前者是因為美國“白熾燈”禁令於2014年1月1日開始實施，停止銷售市場最暢銷的40W和60W白熾燈
，此舉旨在推廣緊湊型熒光燈
、LED燈和其他高能效比節能燈泡。隨著世界各國相繼出台全麵淘汰白熾燈的政策法規，預計2014年將成為半導體照明近期發展最快的一年。後者是受到美國政府“國家製造業創新網絡”計劃的影響。2014年1月15日

，奧巴馬總統宣布成立“新一代電力電子器件國家製造創新中心”
，在未來5年內，該中心通過美國能源部投資7 000萬美元，帶動企業和研究機構投入7 000萬(wan)美(mei)元(yuan)以(yi)上(shang)匹(pi)配(pei)資(zi)金(jin)
，致(zhi)力(li)於(yu)研(yan)發(fa)和(he)製(zhi)造(zao)高(gao)性(xing)能(neng)並(bing)具(ju)有(you)價(jia)格(ge)競(jing)爭(zheng)優(you)勢(shi)的(de)半(ban)導(dao)體(ti)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)。中(zhong)心(xin)將(jiang)由(you)美(mei)國(guo)北(bei)卡(ka)羅(luo)來(lai)納(na)州(zhou)立(li)大(da)學(xue)領(ling)導(dao)
，會(hui)同(tong)阿(e)西(xi)布(bu)朗(lang)勃(bo)法(fa)瑞(rui)公(gong)司(si)（ABB）、科銳公司（Cree, Inc）、射頻微器件公司（RF Mico Devices, Inc.）、台達公司（Delta Products Inc.）、阿肯色電力電子國際公司（Arkansas Power Electronics International, Inc.）
、東芝國際公司（Toshiba International Corporation）

、美國海軍研究實驗室（U.S. Naval Research Laboratory）等超過25家公司、大da學xue及ji政zheng府fu機ji構gou，此ci舉ju將jiang極ji大da地di加jia速su寬kuan禁jin帶dai半ban導dao體ti電dian力li電dian子zi器qi件jian在zai民min用yong領ling域yu的de應ying用yong，並bing引yin發fa全quan球qiu的de關guan注zhu。基ji於yu這zhe些xie原yuan因yin，本ben文wen將jiang重zhong點dian對dui上shang述shu2個領域近期的發展情況進行進一步的介紹。

 

 

隨著照明科技的不斷進步，半導體發光二極管（LED）作為一種固體照明光源，以其高光效、長壽命、節能環保、應用廣泛等諸多優勢，正在逐步替代傳統的白熾燈，成為繼白熾燈、熒光燈之後的又一次光源革命。LED燈比傳統的白熾燈發光效率高80%左右，壽命長2倍，且不含汞、鉛等有害物質，可以安全觸摸，屬於典型的綠色照明光源。根據美國能源部研究報告，一個價值15美元的LED燈，在其生命周期內，將比白熾燈節省超過140美元的電費。

 

近年來，隨著LED發(fa)光(guang)效(xiao)率(lv)的(de)大(da)幅(fu)度(du)提(ti)升(sheng)，單(dan)位(wei)流(liu)明(ming)的(de)價(jia)格(ge)逐(zhu)步(bu)下(xia)降(jiang)，各(ge)類(lei)創(chuang)新(xin)產(chan)品(pin)不(bu)斷(duan)湧(yong)現(xian)，照(zhao)明(ming)質(zhi)量(liang)不(bu)斷(duan)提(ti)高(gao)。其(qi)應(ying)用(yong)已(yi)從(cong)最(zui)初(chu)的(de)指(zhi)示(shi)燈(deng)，逐(zhu)步(bu)拓(tuo)展(zhan)到(dao)室(shi)內(nei)照(zhao)明(ming)、舞台照明、景觀照明等各個照明領域。目前
，照明耗能約占整個電力消耗的20%左右，降低照明用電已成為節省能源的重要途徑。為此
，發達國家紛紛宣布白熾燈淘汰計劃，積極推廣LED照明，應對逐年的全球溫室效應。美國、歐盟、日本、加拿大、澳大利亞、韓國等國相繼宣布停止銷售白熾燈。我國也將於2012-2016年，逐步淘汰白熾燈。

 

 

美國是半導體照明技術的領跑者

，一直處於技術和產業的領先地位。為了減少照明電力的能源消耗
，緩解能源枯竭
，美國能源局自2000年就開始推動固態照明技術研究，逐步實現固態照明對傳統照明的替代。隨後
，奧巴馬的“美國能源新政”把發展新能源和可再生能源
、提高能源使用效能、推(tui)動(dong)能(neng)源(yuan)結(jie)構(gou)的(de)調(tiao)整(zheng)作(zuo)為(wei)促(cu)進(jin)美(mei)國(guo)經(jing)濟(ji)複(fu)蘇(su)和(he)創(chuang)造(zao)就(jiu)業(ye)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)舉(ju)措(cuo)。半(ban)導(dao)體(ti)照(zhao)明(ming)技(ji)術(shu)被(bei)認(ren)為(wei)是(shi)能(neng)源(yuan)應(ying)用(yong)領(ling)域(yu)中(zhong)重(zhong)要(yao)的(de)技(ji)術(shu)創(chuang)新(xin)之(zhi)一(yi)，在(zai)美(mei)國(guo)能(neng)源(yuan)結(jie)構(gou)的(de)轉(zhuan)型(xing)中(zhong)發(fa)揮(hui)重(zhong)要(yao)作(zuo)用(yong)。

 

美國能源部的固態照明發展戰略規劃共獲得美國國會2.98 億美元的撥款，資助了超過200個研究項目。此計劃取得了顯著的經濟和社會效益
，根據相關研究報道
，2012年LED燈為美國節省了71萬億BTU(英國熱量單位)，相當於節省了6.75億美元的能源開支。預計2030 年美國 LED照明的普及能夠將能源消耗節省近半，2010-2030年期間所節省的累計電量將達2 700TWh，相當於剩下2 500億美元的開銷，也等同於18億t二氧化碳排放量（見圖2）。

 

除美國以外，其他發達國家也積極推動LED產業的發展。日本早在1998年就推出了“21世紀光計劃”，投入60億日元用於開發白光LED照明光源，計劃在2020年實現100%的照明產品為新一代高效率照明。歐洲則於2000年開始的“彩虹計劃”，通過歐盟補貼來推廣LED的應用。在隨後推出的“地平線2020”計劃中
，固體照明和OLED都被囊括其中，光電子領域的投入將達到7億歐元。韓國在2002年提出“GaN半導體開發計劃”，國家投入1億美元推動LED照明發展。在隨後的“15/30計劃”中
，又投入50億韓元經費
，進行LED照明的標準規範擬定作業
，並規劃在2015年前將境內30%的照明淘汰換成LED照明。

 

圖2 美國能源部LED照明預測圖

 

 

我國LED產業起步於20世紀70年代，發展迅速。在政府的大力扶持下，經過30多年的發展，已經初步形成了外延片

、芯片、封裝及產品應用完成產業鏈，成為全球照明產業變革中轉型升級發展最快的區域之一。通過科技部推出的“十城萬盞”半導體照明應用示範工程

，截至2011年底，已經有420萬盞以上LED燈具得到示範應用，實現年節電4.2億kWh。根據國家半導體照明工程研發及產業聯盟（CSA）的最新數據顯示，2013年，我國功率型白光LED產業化光效達140 lm/W，擁有自主知識產權的功率型矽基LED 芯片產業化光效達到130 lm/W
，芯片的國產化率達到75% 。

 

2013 年

，我國半導體照明產業整體規模達到2 576 億元
，較2012 年的1 920 億元增長34%。其中上遊外延芯片生產產值規模達到105億元，增長率為31.5%；中遊封裝產業規模達到403 億元，增長率為26%；下遊應用領域整體規模達到2 068 億元，增長率達到36%。根據聯盟預計，2014 年，國內半導體照明產業將繼續保持高速增長
，預計增長率達到40%左右。外延芯片產值增長率預計達到35%左右
，封裝產業預計增速在20%左右，應用環節產值增長率超過50%。

 

 

現階段LED燈的整體發光效率可達130～160 lm/W，已經具有取代傳統照明市場實力
，預計發光效率還將快速提升

，2015年將達到160～190 lm/W，2020年將達到235 lm/W左右（見表2）。目前，製約LED大規模應用的關鍵仍然是價格因素。雖然在過去的5年中，LED照明產品的售價有了大幅度的下降，但和普通的節能燈相比仍不具備價格優勢（見圖3）。近幾年來
，隨著生產成本下降和資本大量流入的影響，這種局麵開始產生變化，LED照明與傳統照明產品之間的價格差距正在逐漸縮小。2013年末到2014年初，在許多國家和區域，無論是取代40W或是60W的LED燈最低售價都已經跌破10美元，全球這兩種LED燈平均價格也分別下降到15美元和21美元的低位。許多人認為10美元的價格區間將是家庭住宅大規模選擇使用LED燈具的一個關鍵轉折點
，因此2014年很有可能將成為LED照明需求快速增長的一年，成為LED照明產品的拐點年。預計2014年LED照明滲透率也將由8%～10%提升至32.7%，LED照明市場產值達到為353億美元
，較2013年成長 47.8%。到2020年，全球LED照明市場份額有望增長到840億美元。

 

圖3 取代60W的LED球泡燈價格預期

 

 

在20世紀，矽基半導體電力電子器件被廣泛應用於計算機、通tong信xin和he能neng源yuan等deng行xing業ye，為wei人ren們men帶dai來lai了le各ge種zhong強qiang大da的de電dian子zi設she備bei
，深shen刻ke地di改gai變bian著zhe每mei一yi個ge人ren的de生sheng活huo，在zai過guo去qu的de幾ji十shi年nian中zhong一yi直zhi推tui動dong著zhe科ke學xue的de進jin步bu和he發fa展zhan。隨sui著zhe矽gui基ji電dian力li電dian子zi器qi件jian逐zhu漸jian接jie近jin其qi理li論lun極ji限xian值zhi
，利li用yong寬kuan禁jin帶dai半ban導dao體ti材cai料liao製zhi造zao的de電dian力li電dian子zi器qi件jian顯xian示shi出chu比biSi和GaAs更優異的特性，給電力電子產業的發展帶來了新的生機。相對於Si材料，使用寬禁帶半導體材料製造新一代的電力電子元件，可以變得更小、更快
、更可靠和更高效。這將減少電力電子元件的質量、體積以及生命周期成本，允許設備在更高的溫度、電壓和頻率下工作
，使得電子電子器件使用更少的能量卻可以實現更高的性能。基於這些優勢，寬禁帶半導體在家用電器
、電力電子設備、新能源汽車、工業生產設備
、高壓直流輸電設備、移動電話基站等係統中都具有廣泛的應用前景。

 

 

最初
，針對禁帶半導體的研究與開發主要是為了滿足軍事國防方麵的需求。早在1987年，美國政府和相關研究機構就促成了科銳公司（Cree）的成立，專門從事SiC半導體的研究。隨後，美國國防部和能源部先後啟動了“寬禁帶半導體技術計劃”和“氮化物電子下一代技術計劃”，積極推動SiC和GaN寬kuan禁jin帶dai半ban導dao體ti技ji術shu的de發fa展zhan。美mei國guo政zheng府fu一yi係xi列lie的de部bu署shu引yin發fa了le全quan球qiu範fan圍wei內nei的de激ji烈lie競jing爭zheng，歐ou洲zhou和he日ri本ben也ye相xiang繼ji開kai展zhan了le相xiang關guan研yan究jiu。歐ou洲zhou開kai展zhan了le麵mian向xiang國guo防fang和he商shang業ye應ying用yong的de“KORRIGAN”計劃和麵向高可靠航天應用的“GREAT2”計劃。日本則通過“移動通訊和傳感器領域半導體器件應用開發”、“氮化镓半導體低功耗高頻器件開發”等計劃推動第3代半導體在未來通信係統中的應用。經過多年的發展，發達國家在寬禁帶半導體材料、器件及係統的研究上取得了豐碩的成果，實現了在軍事國防領域的廣泛應用。

 

由於SiC和GaN兩種材料的特性不同，它們的應用領域也有所區別：GaN主要是用作微波器件，而SiC主要是作為大功率高頻功率器件。GaN材料的功率密度是現有GaAs器件的10倍
，是製造微波器件的理想材料，被應用於雷達
、電子對抗、智能化係統及火控裝備
，用來提高雷達性能和減小體積。根據報道，美國海軍新一代幹擾機吊艙、空中和導彈防禦雷達AMDR正在采用GaN來替代GaAs 器件，以取代洛馬公司的SPY-1相控陣雷達（宙斯盾係統核心雷達）。SiC則應用於高壓
、高溫
、強輻照等惡劣條件下工作的艦艇、飛機及智能武器電磁炮等眾多軍用電子係統，起到抵抗極端環境和降低能耗的作用。美國新型航空母艦CVN-21級福特號配備的4個電磁彈射係統均靠電力驅動，能在300英尺的距離內把飛機速度提高到160海裏/h。其區域配電係統采用全SiC器件為基礎的固態功率變電站，這使得每個變壓器的質量從6t減少為1.7t，體積從10m3減少為2.7m3。

 

 

隨sui著zhe在zai軍jun事shi領ling域yu的de應ying用yong逐zhu步bu成cheng熟shu，寬kuan禁jin帶dai半ban導dao體ti的de應ying用yong開kai始shi逐zhu步bu拓tuo展zhan到dao民min用yong應ying用yong領ling域yu，其qi節jie能neng效xiao應ying也ye將jiang惠hui及ji到dao國guo民min經jing濟ji的de方fang方fang麵mian麵mian。近jin年nian來lai，信xin息xi技ji術shu在zai原yuan有you基ji礎chu上shang又you得de到dao快kuai速su發fa展zhan，大da量liang的de以yi新xin技ji術shu為wei基ji礎chu的de新xin產chan品pin、新應用正在迅速普及
，所帶來的電力電子設備的能源消耗量也快速增長。根據預測
，美國電力電子設備用電量占總量的比例將從2005年的30%增長到2030年的80%。半(ban)導(dao)體(ti)在(zai)節(jie)能(neng)領(ling)域(yu)中(zhong)應(ying)用(yong)最(zui)多(duo)就(jiu)是(shi)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)，絕(jue)大(da)多(duo)數(shu)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)都(dou)會(hui)使(shi)用(yong)到(dao)一(yi)顆(ke)或(huo)多(duo)顆(ke)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)產(chan)品(pin)。寬(kuan)禁(jin)帶(dai)半(ban)導(dao)體(ti)的(de)帶(dai)隙(xi)明(ming)顯(xian)大(da)於(yu)矽(gui)半(ban)導(dao)體(ti)
，從(cong)而(er)可(ke)有(you)效(xiao)減(jian)小(xiao)電(dian)子(zi)跨(kua)越(yue)的(de)鴻(hong)溝(gou)
，減(jian)少(shao)能(neng)源(yuan)損(sun)耗(hao)。其(qi)相(xiang)關(guan)器(qi)件(jian)的(de)推(tui)廣(guang)應(ying)用(yong)將(jiang)給(gei)工(gong)業(ye)電(dian)機(ji)係(xi)統(tong)
、消費類電子產品
、新能源等領域帶來深遠的影響（見圖4）。

 

圖4 寬禁帶半導體的應用領域示意圖

 

（1）工業電機係統

 

在傳統工業控製領域
，交流電機控製、工業傳動裝置
、機車與列車用電源以及供暖係統傳動裝置等都需要功率器件。對於工業電機係統來說
，更高效、更緊湊的寬禁帶半導體變頻驅動器可使電機的轉速實現動態調整

，這將使得泵、風機、壓縮機及空調係統所用的各類驅動電機變得更加高效、節能。根據報道
，在美國，電機係統用電量占製造業的70%左右，通過使用寬禁帶半導體變頻驅動器，美國每年直接節省的電力相當於100萬戶美國家庭用電的年消耗量。隨著寬禁帶半導體變頻驅動器的應用逐步擴展
，最終節省的電力可供690萬戶美國家庭使用。

 

（2）消費電子產品

 

消費電子產品將是寬禁帶半導體應用的另一大領域。目前，家庭擁有的電器總量驚人

，各類家電通常都需要各種不同的功率器件控製；公共場所空調、照明、裝飾
、顯示、計算機
、自動控製等也需要大量的功率器件。筆記本電腦
、智能手機、平板電腦、計ji算suan機ji和he服fu務wu器qi等deng消xiao費fei電dian子zi產chan品pin所suo使shi用yong的de電dian源yuan轉zhuan換huan器qi雖sui然ran單dan個ge能neng耗hao不bu大da，但dan其qi使shi用yong數shu量liang龐pang大da，損sun耗hao總zong和he相xiang當dang驚jing人ren。寬kuan禁jin帶dai半ban導dao體ti芯xin片pian可ke以yi消xiao除chu整zheng流liu器qi在zai進jin行xing交jiao直zhi流liu轉zhuan換huan時shi90%的能量損失
，還可以使筆記本電源適配器體積縮小80%。通過使用寬禁帶半導體
，美國在此領域節約的電力可供130萬戶美國家庭使用。

 

（3）新能源領域

 

為了擺脫對化石燃料的依賴、jianshaowenshiqitidepaifang
，geguozhengfudoukaishidalifazhankezaishengnengyuanchanye。taiyangnengfadianhefengnengfadianxitongsuochanshengdedianlixuyaocongzhiliudianyuanzhuanhuanchengjiaoliudian


，jiercainengyudianwangxianglianjieshiyong。youyufengnengdebuwendingxing
，fenglifadianjishuchufeigudingpinlvdejiaoliudian，xuyaojinxingjiao-直-交的轉換才能並網使用。寬禁帶半導體逆變器可以使得這個過程的效率更高
，美國每年節省的電力足夠供美國75萬戶家庭使用。此外，對於智能電網來說
，使用寬禁帶半導體製成的逆變器
、變壓器和晶體管等
，有助於克服發電、輸電、配電及終端使用所麵臨的一係列問題
，幫助建立一個更智能、更可靠
、更具彈性的新一代電網。例如，一個寬禁帶半導體逆變器，其性能是傳統逆變器性能的4倍，同時成本和質量分別減少50%和25%。對於較大規模的逆變器
，寬禁帶半導體逆變器的質量可以減輕大約3 600kg。

 

在電動汽車和混合動力汽車領域
，寬禁帶半導體可以把直流快充電站縮小到微波爐一樣大小
，並減少2/3的電力損失。由於這些電子產品可以承受更高的工作溫度，可使得車輛冷卻係統的體積減少60%，甚至消除了二次液體冷卻係統。

 

 

基於寬禁帶半導體的廣闊應用前景
、judadeshichangxuqiuhejingjixiaoyi，jibandaotizhaomingyihou，meiguojiangdisandaibandaoticailiaodedianzidianliqijianyingyongtishengdaoguojiazhanlvedegaodu，quebaomeiguozaizheyilingyudeyoushidiwei。xiangduiyubandaotizhaomingxingye，kuanjindaibandaotizaidianzidianlilingyudeyingyongganggangqibu
，danyujiqiqianzaishichangrongliangchaoguo300億美元。

 

功率器件方麵
，2012年全球SiC和GaN基功率器件市場的銷售規模僅為1億多美元

，大部分應用集中在電源。其中
，SiC基器件的市場規模達到9 000萬美元，而GaN基器件僅為1 000多萬。2013年，各大企業紛紛推出GaN功率器件樣品，這標誌著其在民用市場的商業化進程開始加速。隨著價格下降和產量的增加，預計市場拐點或將出現在2015年。SiC基器件的價格有望下降到2012年的一半左右，GaN基器件的價格也可能進一步下降，屆時市場規模有望接近5億美元。2020年

，市場規模將達到20億美元，相比2012年提高20倍。微波器件方麵
，2012年GaN基微波器件市場收入接近9 000萬美元，預計GaN整體市場微波及功率器件到2015年達到3.5億美元。

 

我國開展SiC和GaN材(cai)料(liao)及(ji)器(qi)件(jian)方(fang)麵(mian)的(de)研(yan)究(jiu)工(gong)作(zuo)比(bi)較(jiao)晚(wan)，在(zai)科(ke)技(ji)部(bu)及(ji)軍(jun)事(shi)預(yu)研(yan)項(xiang)目(mu)的(de)支(zhi)持(chi)下(xia)，取(qu)得(de)了(le)一(yi)定(ding)的(de)成(cheng)果(guo)，逐(zhu)步(bu)縮(suo)小(xiao)了(le)與(yu)國(guo)外(wai)先(xian)進(jin)技(ji)術(shu)的(de)差(cha)距(ju)，在(zai)軍(jun)工(gong)領(ling)域(yu)已(yi)取(qu)得(de)了(le)一(yi)些(xie)應(ying)用(yong)。但(dan)是(shi)，研(yan)究(jiu)的(de)主(zhu)要(yao)成(cheng)果(guo)還(hai)停(ting)留(liu)在(zai)實(shi)驗(yan)室(shi)階(jie)段(duan)，器(qi)件(jian)性(xing)能(neng)離(li)國(guo)外(wai)的(de)報(bao)道(dao)還(hai)有(you)很(hen)大(da)差(cha)距(ju)。目(mu)前(qian)，已(yi)有(you)少(shao)數(shu)企(qi)業(ye)成(cheng)功(gong)開(kai)發(fa)SiC和GaN材料及器件，GaN微波器件和SiC功率器件於2013年進入小批量生產階段，預計在未來2～3年內將實現量產。

 

來源：寬禁帶半導體技術創新聯盟。作者：於灝、蔡永香
、卜雨洲
、謝潛思

 

 

 

 

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