什么是寬禁帶半導(dǎo)體

2024-06-27 09:50

寬禁帶半導(dǎo)體是指禁帶寬度在2.3電子伏特（eV）及以上的半導(dǎo)體材料，典型的例子包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）和金剛石等。這些材料具有高溫、高功率、高頻率等優(yōu)勢(shì)，使其在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

主要應(yīng)用領(lǐng)域

電力電子器件：寬禁帶半導(dǎo)體在電力電子領(lǐng)域有重要應(yīng)用，包括電源管理、電力控制系統(tǒng)、電力調(diào)節(jié)器和電力變換器等。它們可以支持更高的電壓和更高的頻率，提高電路的性能、效率和可靠性。
光電子器件：基于寬禁帶半導(dǎo)體的深紫外發(fā)光二極管（DUV LED）在全固態(tài)光源體系中表現(xiàn)出色，體積小、效率高、壽命長。
射頻電子器件：寬禁帶半導(dǎo)體在射頻（RF）器件中的應(yīng)用也非常廣泛，能夠提供高效率和高頻率的性能。
新能源汽車：寬禁帶半導(dǎo)體在新能源汽車中的應(yīng)用也逐漸增多，特別是在電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和充電技術(shù)中。
5G通信：寬禁帶半導(dǎo)體在5G通信中的應(yīng)用也是一個(gè)重要方向，能夠提供高頻率和高功率的解決方案。

研究進(jìn)展

近年來，寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件的研究取得了顯著進(jìn)展。例如，中國科大在半導(dǎo)體深紫外LED研究中取得了重要成果，這些LED具有高效率和長壽命的特點(diǎn)。此外，西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院郝躍院士在《科技導(dǎo)報(bào)》發(fā)表的文章中詳細(xì)分析了寬禁帶半導(dǎo)體器件的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展方向，涉及氮化鎵、碳化硅、金剛石、氧化鋁等材料的性能和工藝。

產(chǎn)業(yè)化情況

寬禁帶半導(dǎo)體材料已經(jīng)形成巨大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，并在電子功率器件領(lǐng)域繼續(xù)深入發(fā)展。例如，碳化硅和氮化鎵基材料與器件在國際上已發(fā)展成熟，產(chǎn)業(yè)化規(guī)模巨大。中國在這一領(lǐng)域也取得了顯著進(jìn)展，許多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)正在積極推動(dòng)寬禁帶半導(dǎo)體材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

以下是一些描述性的內(nèi)容，可以幫助你理解寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用和研究進(jìn)展：

電力電子器件：展示寬禁帶半導(dǎo)體在電力變換器中的應(yīng)用。
光電子器件：展示基于寬禁帶半導(dǎo)體的深紫外LED的結(jié)構(gòu)和性能。
射頻電子器件：展示寬禁帶半導(dǎo)體在射頻器件中的應(yīng)用，如功率放大器。
新能源汽車：展示寬禁帶半導(dǎo)體在新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。
5G通信：展示寬禁帶半導(dǎo)體在5G基站中的應(yīng)用。

通過這些描述，你可以獲得對(duì)寬禁帶半導(dǎo)體熱點(diǎn)及其應(yīng)用的全面了解。

寬禁帶半導(dǎo)體材料的最新研究進(jìn)展是什么？

寬禁帶半導(dǎo)體材料的最新研究進(jìn)展主要集中在氮化物、碳化硅和氧化鎵等材料的應(yīng)用和技術(shù)創(chuàng)新上。

寧波材料所在氮化物寬禁帶半導(dǎo)體極性調(diào)控及應(yīng)用方面取得了系列研究進(jìn)展。氮化物材料以其高禁帶寬度、高擊穿電場(chǎng)、大熱導(dǎo)率和優(yōu)良的高頻功率特性，在半導(dǎo)體照明、5G通信、智能電網(wǎng)和新能源汽車等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

碳化硅是目前電力電子領(lǐng)域發(fā)展最快的半導(dǎo)體材料之一。絕緣柵雙極晶體管（IGBT）作為一種全控型復(fù)合器件，具有工作頻率高、開關(guān)損耗低、電流密度大等優(yōu)點(diǎn)，是高壓大功率變換器中的關(guān)鍵器件。近年來，全球?qū)Φ统杀竞偷腿毕萏蓟杈A的需求不斷增加，研究人員一直在努力改進(jìn)晶體生長和晶圓加工技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)SiC晶圓的量產(chǎn)。此外，實(shí)驗(yàn)室孵化的企業(yè)聯(lián)合浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心先進(jìn)半導(dǎo)體研究院首次生長出了厚度達(dá)100 mm的超厚碳化硅單晶，這種材料具有寬禁帶、高導(dǎo)熱率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高電子飽和漂移速率、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，能夠滿足電力電子系統(tǒng)的高效率、小型化需求。

氧化鎵是一種超寬禁帶半導(dǎo)體，因其優(yōu)異的光電性能成為繼SiC和GaN之后的第三代用于功率元件的寬禁帶半導(dǎo)體。β-Ga2O3單晶的制備方法包括焰熔法、直拉法、導(dǎo)模法、浮區(qū)法、垂直布里奇曼法和化學(xué)氣相傳輸法等。近些年來，P-NiO/N-Ga2O3氧化鎵異質(zhì)結(jié)的引入暫時(shí)解決了氧化鎵中有效P型摻雜的問題，進(jìn)一步推動(dòng)了氧化鎵器件的研究進(jìn)展。

如何提高寬禁帶半導(dǎo)體在電力電子器件中的效率和可靠性？

提高寬禁帶半導(dǎo)體在電力電子器件中的效率和可靠性可以通過以下幾個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)：

材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化：

高質(zhì)量襯底和外延生長：在SiC襯底上外延生長高質(zhì)量的寬禁帶半導(dǎo)體材料是提高器件性能及可靠性的關(guān)鍵。研究者們?cè)赟iC襯底上成功外延了SiC、氮化鎵（GaN）和氧化鎵（Ga2O3），這些進(jìn)展為未來的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
堆疊結(jié)構(gòu)和表面鈍化：針對(duì)毫米波器件強(qiáng)電場(chǎng)引起的非理想表面和溝道輸運(yùn)問題，采用堆疊結(jié)構(gòu)和富硅SiN表面鈍化方法，可以大幅抑制表面漏電和電流崩塌，同時(shí)有效改善器件的溝道結(jié)溫和高溫動(dòng)態(tài)特性，從而提升功率附加效率。

設(shè)計(jì)和制造技術(shù)：

封裝集成與可靠性優(yōu)化：封裝集成技術(shù)的發(fā)展對(duì)于提升寬禁帶功率半導(dǎo)體器件的性能與可靠性至關(guān)重要。通過新理論、新方法與新技術(shù)的應(yīng)用，可以顯著提高器件的整體性能。
測(cè)試技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)：不斷積累失效機(jī)理，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，并根據(jù)全新器件的發(fā)展研發(fā)出相匹配的測(cè)試技術(shù)及設(shè)備，是提升寬禁帶半導(dǎo)體模塊可靠性的重要手段。

短路能力的提升：

短路安全能力的驗(yàn)證：在工業(yè)和汽車應(yīng)用中，GaN功率器件需要經(jīng)過額外的短路可靠性驗(yàn)證。北大團(tuán)隊(duì)開發(fā)的新型器件技術(shù)能夠大幅度提高GaN功率器件的短路能力，這對(duì)于推動(dòng)GaN功率器件在高溫、高壓、高開關(guān)頻率等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

P型摻雜問題的解決：

極化摻雜技術(shù)：利用極化摻雜的P型金屬面III族氮化物（如GaN）的表面處理，可以顯著改善P型摻雜問題，從而提高GaN基LED的發(fā)光效率。

綜合應(yīng)用和驗(yàn)證：

多領(lǐng)域應(yīng)用驗(yàn)證：寬禁帶半導(dǎo)體材料（如碳化硅、氮化鎵和金剛石）在高溫、高壓、高開關(guān)頻率等諸多應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)出色，成為未來功率半導(dǎo)體器件發(fā)展的必然趨勢(shì)。
實(shí)際應(yīng)用中的性能評(píng)估：通過在電力電子變換器中的應(yīng)用，寬禁帶功率器件展示了其在高頻和超高頻領(lǐng)域的巨大潛力，這為進(jìn)一步提升其性能和可靠性提供了實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景。

氮化鎵基寬禁帶半導(dǎo)體在新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用案例有哪些？

氮化鎵（GaN）基寬禁帶半導(dǎo)體在新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用案例主要包括以下幾個(gè)方面：

電源總線（OBC）：氮化鎵可以顯著提高充電速度，使得板載充電器（OBC）成為硅的替代品。對(duì)于使用400V和800V電池的車輛，氮化鎵功率半導(dǎo)體需要額定電壓分別為650V和1200V。
電池管理系統(tǒng)：氮化鎵材料在電池管理系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，其高功率密度和高效能量轉(zhuǎn)換能力使其成為理想的選擇。
車載通訊和娛樂系統(tǒng)：氮化鎵的高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)和高飽和電子漂移速率等特點(diǎn)，使其能夠滿足新能源汽車電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)：氮化鎵技術(shù)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)中也得到了廣泛應(yīng)用，其高效能量轉(zhuǎn)換能力和高功率密度使其在這一領(lǐng)域表現(xiàn)出色。
功率芯片設(shè)計(jì)：納微半導(dǎo)體成立了全球首家針對(duì)電動(dòng)汽車的氮化鎵功率芯片設(shè)計(jì)中心，氮化鎵功率芯片將氮化鎵功率器件與驅(qū)動(dòng)、控制和保護(hù)集成在一起，為電動(dòng)汽車提供更快的充電速度、更高的功率密度和更好的節(jié)能效果。