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宽禁带半导体电力电子器件国家重点实验室

时间:2015-09-23  来源:科技日报   发布:高端装备网 
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——打磨高大上的“小器件”

 

  当前,光伏发电、电动机车、智能电网等战略新兴产业在全球蓬勃发展,在我国新能源产业被视为实现“蓝天计划”和产业转型升级的支柱产业。而作为这些产业的“心脏”和“发动机”——用于能源产生、传输、使用的电力电子器件,近年来方兴未艾,新技术、新器件不断涌现,其中以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体电力电子器件因其工作电压高,工作速度快、工作效率高,成为新一代半导体电力电子器件领域的宠儿受到追捧。

 

  宽禁带半导体电力电子器件,被誉为带动新能源革命的绿色能源器件,可谓“高大上”。对于这种“小”器件的大作用,“高”就是高压、高效、高频、高可靠;“大”是指大功率;“上”指的是比起硅基电力电子器件来说在应用方面又上了新台阶。”

 

  2000年左右,国内开始宽禁带半导体电力电子器件的研发工作,目前在碳化硅、氮化镓电力电子器件的材料、器件及模块等方面取得了长足进步,研制的各类器件水平已达到了世界先进水平,但在高端器件的开发和产业化方面与国际领先企业相比还有较大差距——新能源用核心电力电子器件仍依赖进口,特别是高端芯片,这一现状直接制约了国内一些新能源高端产品的发展。因此快速推进我国宽禁带半导体电力电子器件自主研发非常迫切。

 

  要实现半导体核心电子器件自主、可控、安全,我们必须摆脱过去对国外跟踪仿研、亦步亦趋的历史,积极推动技术进步,掌握半导体器件的核心技术,促进节能增效。

 

  一步一个脚印,担当宽禁带半导体国内领跑者

 

  中国电子科技集团公司第五十五研究所(以下简称中国电科五十五所)是我国最早开展宽禁带电力电子器件研发工作的单位之一,始建于1958年,主要从事固态功率器件和射频微系统、光电显示和探测等领域核心元器件的研制生产。在这里,曾诞生了国内第一锭超纯锗单晶,第一只C波段振荡管,第一块砷化镓MMIC低噪声放大器,第一个S波段有源T/R组件,第一块氮化镓功率单片电路、第一只高压大电流碳化硅晶体管开关器件。

 

  中国电科五十五所从上世纪90年代起,就跟踪技术发展趋势,开始了宽禁带半导体的基础理论研究和器件工艺开发。2000年初,五十五所自筹资金投入几千万元,建立了宽禁带半导体技术研发平台,组建了宽禁带半导体研发团队,从经费很少的基金课题开始做起,一步一个脚印,逐步成长为该领域国内领跑者,建立了自主知识产权的理论和关键工艺技术能力,目前已具备理论分析、材料生长、器件模型、器件工艺以及模块等完整的宽禁带半导体电力电子技术研发及生产能力。

 

  2015年,中国电科五十五所凭借其雄厚的技术实力、强大的研发生产能力、国内一流的科研生产平台、优秀的人才团队等优势,申请的宽禁带半导体电力电子器件国家重点实验室在科技部第三批企业重点实验室建设申报中成功立项。

 

  五十五所既是宽禁带电力电子器件领域国家发改委技术改造支持的唯一一家单位,也是我国宽禁带电力电子器件领域国家重大专项主体承担单位。

 

  突破创新,留下专注目标、精研技术精神烙印

 

  万事开头难,在宽禁带半导体领域的研究初期,从材料设计到外延生长、从器件工艺到模型仿真、从测试可靠性到应用验证,无不需要创新突破、无不需要攻坚克难。

 

  面对宽禁带半导体器件的众多工艺难点,例如干法刻蚀、减薄、磨片抛光、通孔等,团队成员群策群力,收集大量的国内外参考资料,开展定期技术交流和研讨,进行头脑风暴,经历了数不清的失败。

 

  再接再厉、永不言弃,在时间和耐心上、在技术和创新上,我们经受住了考验,获得了许多新思路、新想法。而国家“863”“973”等重大项目的研制历练更提升了团队的作战能力,专注目标、精研技术成为我们的精神烙印,嫦娥精神、亮剑精神成为引领团队前进的旗帜。

 

  在测试碳化硅器件从室温到400℃直流特性变化这一过程中,实验室没有符合400℃高温要求的设备,而专家组要求必须现场测试。

 

  团队成员集思广益,经历了许多个日日夜夜,利用现有的多种加热手段,配合热电偶等测温仪,自主搭建出了一台高温测试系统,成功解决了突发难题,现场演示得到了专家组的认可。正是这种特别能吃苦,特别能受累的精神,极大地鼓舞了团队的战斗热情,使团队在后面的工作中获得了更大的收获,在艰苦奋斗中走出了一条不屈不挠的创新成长之路。

 

  实验室建立以来,从材料到器件进行了成体系的技术开发,并在后外延生长、高击穿电压器件工艺等方面取得了一批具有国际先进水平的研究成果,如高质量外延快速生长技术,通过生长技术创新,提高碳化硅外延生长速率,实现了100微米以上的快速外延;根据模拟仿真结果,精确控制了高温退火过程,碳化硅的离子注入激活率达到90%以上;在高压终端技术方向提出了一种新型不等间距复合终端保护环结构,实现了17500V的高压碳化硅二极管器件;在此基础上推动成果的快速转化,推出了一批具有竞争力的产品。

 

  面向未来需求,期待系统性突破、原创性成果

 

  五十五所还积极参与国际交流,与德国、比利时等国外科研机构长期合作,跟踪技术发展;同时与国内外众多科研院所、企业建立了合作关系,如在单晶材料方面有中科院物理所、山东大学、中国电科46所,在器件模型和电路设计方面与西安电子科技大学、南京大学、浙江大学、东南大学、电子科技大学等,在应用方面有中车集团、国家电网公司等企业,提供技术服务和数据共享,发挥技术辐射作用。

 

  系列化、连续性、多样化的紧密合作,不但能够增强创新和跨界维度,而且也带动了宽禁带半导体电力电子器件技术链上下游的协同发展,增强重点实验室研究平台的凝聚力和影响力。

 

  宽禁带半导体电力电子器件实验室下一步的重点是面向新能源、电动机车、智能电网等战略新兴产业对能源高效转换核心电力电子器件的未来需求,致力自主开展应用基础和竞争前沿共性技术研究,攻克重大关键技术难题,引领行业技术进步,打破国外技术垄断,推动我国碳化硅和氮化镓电力电子器件技术的快速发展,并加快实现成果转化,带动国内相关产业的转型升级,为我国的新能源战略的实施提供技术支撑,让我国的新能源产品早日走向世界。

 

  预计到2020年,将形成国际主流的外延、器件和集成科研条件和技术开发能力,在材料、器件、系统研究方面取得系统性突破和原创性成果。同时依托五十五所电力电子产业基础,完成成果转化3至5项,实现产值3至5亿元,批量应用于新能源等。

 

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