第三代半導(dǎo)體未來之星——碳化硅
一、碳化硅晶體結(jié)構(gòu)
四、碳化硅半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì) 五、碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈 六、碳化硅寬禁帶半導(dǎo)體目前存在的問題 1. 大尺寸SiC單晶襯底制備技術(shù)仍不成熟。 目前國(guó)際上已經(jīng)開發(fā)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(shù);p型襯底技術(shù)的研發(fā)較為滯后。 2.n型SiC外延生長(zhǎng)技術(shù)有待進(jìn)一步提高。 3.SiC功率器件的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)尚未完全形成,尚不能撼動(dòng)目前硅功率半導(dǎo)體器件市場(chǎng)上的主體地位。 國(guó)際SiC器件領(lǐng)域:SiC功率器件向大容量方向發(fā)展受限制;SiC器件工藝技術(shù)水平比較低;缺乏統(tǒng)一的測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。 中國(guó)SiC功率器件領(lǐng)域存在以下3個(gè)方面差距: (1)在SiCMOSFET器件方面的研發(fā)進(jìn)展緩慢,只有少數(shù)單位具備獨(dú)立的研發(fā)能力,產(chǎn)業(yè)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(lián)的SiC功率模塊,會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的電磁干擾和額外損耗,無法發(fā)揮SiC器件的優(yōu)良性能;SiC功率模塊雜散參數(shù)較大,可靠性不高。 (2)SiC功率高溫封裝技術(shù)發(fā)展滯后。 5.SiC功率器件的驅(qū)動(dòng)技術(shù)尚不成熟。 6.SiC器件的應(yīng)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(duì)精度要求較低的常規(guī)工業(yè)場(chǎng)合。 七、SiC器件在各行各業(yè)中的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì) 電源/大型服務(wù)器:用于電源及功率因數(shù)校正器內(nèi)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(fā)電產(chǎn)生的電流為直流電,需要通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。采用SiC功率器件可以減積減重;提高逆變轉(zhuǎn)化效率2%左右,綜合轉(zhuǎn)換效率達(dá)到98%;降低損耗,提高光伏發(fā)電站經(jīng)濟(jì)效益;SiC材料特性,降低故障率。 風(fēng)電:用于風(fēng)電整流器、逆變器、變壓器,風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的交流電易受風(fēng)力影響使得電壓、電流不穩(wěn)定,先要經(jīng)過整流為直流電后再逆變成交流電實(shí)現(xiàn)并網(wǎng),提高效率、降低損耗,同時(shí)成本和質(zhì)量分別減少50%和25%。 新能源汽車車載充電機(jī)(OBC):減積減重、提高效率、降低損耗。 新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng):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(guān)損耗85%,提升電力使用效率;開關(guān)頻率可達(dá)硅基IGBT10倍以上,提高開關(guān)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(fā)熱量也只有硅器件的1/2,有非常優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性,散熱處理更容易,散熱體積減小,可使得車輛冷卻系統(tǒng)的體積減少60%,甚至消除了二次液體的冷卻系統(tǒng),減積減重;可實(shí)現(xiàn)逆變器與馬達(dá)一體化,減積減重??删C合提高新能源汽車5%~10%左右的續(xù)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(dá)到96%以上的轉(zhuǎn)化效率;由于SiC功率器件對(duì)溫度依賴性較低,提高夏季高溫時(shí)段電能轉(zhuǎn)化效率;降低電能損耗,提升大型充電站的經(jīng)濟(jì)效益;充電樁系統(tǒng)成本與硅基基本持平,性價(jià)比較高。 空調(diào):用于變頻空調(diào)前端的功率因數(shù)校正(PFC)電源內(nèi)部,體積和質(zhì)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(tǒng)電力損耗降低30%以上,零部件體積及質(zhì)量減少40%,效率及速度提升。 電磁感應(yīng)加熱:減積減重、提高效率、降低損耗。 軍工領(lǐng)域:各種車載、機(jī)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(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì)獲得了廣泛的應(yīng)用,迅速占領(lǐng)了半導(dǎo)體材料市場(chǎng)的半壁江山。隨著生產(chǎn)成本的不斷下降,優(yōu)異的性能讓碳化硅在功率器件的行業(yè)中實(shí)現(xiàn)了對(duì)硅單質(zhì)半導(dǎo)體的逐步取代。而面對(duì)世界范圍內(nèi)發(fā)展空間巨大的碳化硅半導(dǎo)體市場(chǎng),我國(guó)需要盡快提升研發(fā)實(shí)力,完善碳化硅半導(dǎo)體的發(fā)展體系。
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