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行業動態

打磨高大上的“小器件”

文字:[大][中][小] 2015-10-14    瀏覽次數:2104    

當前,光伏發電、電動機車、智能電網等戰略新興產業在全球蓬勃發展,在我國新能源產業被視為實現“藍天計劃”和產業轉型升級的支柱產業。而作為這些產業的“心臟”和“發動機”——用于能源產生、傳輸、使用的電力電子器件,近年來方興未艾,新技術、新器件不斷涌現,其中以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導體電力電子器件因其工作電壓高,工作速度快、工作效率高,成為新一代半導體電力電子器件領域的寵兒受到追捧。


“寬禁帶半導體電力電子器件,被譽為帶動新能源革命的綠色能源器件,可謂"高大上"?!比涨?,寬禁帶半導體電力電子器件國家重點實驗室主任柏松博士接受采訪時,對于這種“小”器件的大作用,他解釋說,"高"就是高壓、高效、高頻、高可靠;"大"是指大功率;"上"指的是比起硅基電力電子器件來說在應用方面又上了新臺階?!?


2000年左右,國內開始寬禁帶半導體電力電子器件的研發工作,目前在碳化硅、氮化鎵電力電子器件的材料、器件及模塊等方面取得了長足進步,研制的各類器件水平已達到了世界先進水平,但在高端器件的開發和產業化方面與國際領先企業相比還有較大差距——新能源用核心電力電子器件仍依賴進口,特別是高端芯片,這一現狀直接制約了國內一些新能源高端產品的發展。因此快速推進我國寬禁帶半導體電力電子器件自主研發非常迫切。


“要實現半導體核心電子器件自主、可控、安全,我們必須擺脫過去對國外跟蹤仿研、亦步亦趨的歷史,積極推動技術進步,掌握半導體器件的核心技術,促進節能增效?!卑厮烧f。


一步一個腳印,擔當寬禁帶半導體國內領跑者


中國電子科技集團公司第五十五研究所(以下簡稱中國電科五十五所)是我國最早開展寬禁帶電力電子器件研發工作的單位之一,始建于1958年,主要從事固態功率器件和射頻微系統、光電顯示和探測等領域核心元器件的研制生產。在這里,曾誕生了國內第一錠超純鍺單晶,第一只C波段振蕩管,第一塊砷化鎵MMIC低噪聲放大器,第一個S波段有源T/R組件,第一塊氮化鎵功率單片電路、第一只高壓大電流碳化硅晶體管開關器件。


“中國電科五十五所從上世紀90年代起,就跟蹤技術發展趨勢,開始了寬禁帶半導體的基礎理論研究和器件工藝開發?!?柏松介紹說,2000年初,五十五所自籌資金投入幾千萬元,建立了寬禁帶半導體技術研發平臺,組建了寬禁帶半導體研發團隊,從經費很少的基金課題開始做起,一步一個腳印,逐步成長為該領域國內領跑者,建立了自主知識產權的理論和關鍵工藝技術能力,目前已具備理論分析、材料生長、器件模型、器件工藝以及模塊等完整的寬禁帶半導體電力電子技術研發及生產能力。


2015年,中國電科五十五所憑借其雄厚的技術實力、強大的研發生產能力、國內一流的科研生產平臺、優秀的人才團隊等優勢,申請的寬禁帶半導體電力電子器件國家重點實驗室在科技部第三批企業重點實驗室建設申報中成功立項。


“五十五所既是寬禁帶電力電子器件領域國家發改委技術改造支持的唯一一家單位,也是我國寬禁帶電力電子器件領域國家重大專項主體承擔單位?!卑厮烧f。


突破創新,留下專注目標、精研技術精神烙印


萬事開頭難,在寬禁帶半導體領域的研究初期,從材料設計到外延生長、從器件工藝到模型仿真、從測試可靠性到應用驗證,無不需要創新突破、無不需要攻堅克難。


面對寬禁帶半導體器件的眾多工藝難點,例如干法刻蝕、減薄、磨片拋光、通孔等,團隊成員群策群力,收集大量的國內外參考資料,開展定期技術交流和研討,進行頭腦風暴,經歷了數不清的失敗。


“再接再厲、永不言棄,在時間和耐心上、在技術和創新上,我們經受住了考驗,獲得了許多新思路、新想法?!卑厮烧f,而國家“863”“973”等重大項目的研制歷練更提升了團隊的作戰能力,“專注目標、精研技術成為我們的精神烙印,嫦娥精神、亮劍精神成為引領團隊前進的旗幟?!?


在采訪中,柏松講述了這樣一個故事。在測試碳化硅器件從室溫到400℃直流特性變化這一過程中,實驗室沒有符合400℃高溫要求的設備,而專家組要求必須現場測試。


“團隊成員集思廣益,經歷了許多個日日夜夜,利用現有的多種加熱手段,配合熱電偶等測溫儀,自主搭建出了一臺高溫測試系統,成功解決了突發難題,現場演示得到了專家組的認可?!卑厮烧J為,正是這種特別能吃苦,特別能受累的精神,極大地鼓舞了團隊的戰斗熱情,使團隊在后面的工作中獲得了更大的收獲,在艱苦奮斗中走出了一條不屈不撓的創新成長之路。


實驗室建立以來,從材料到器件進行了成體系的技術開發,并在后外延生長、高擊穿電壓器件工藝等方面取得了一批具有國際先進水平的研究成果,如高質量外延快速生長技術,通過生長技術創新,提高碳化硅外延生長速率,實現了100微米以上的快速外延;根據模擬仿真結果,精確控制了高溫退火過程,碳化硅的離子注入激活率達到90%以上;在高壓終端技術方向提出了一種新型不等間距復合終端保護環結構,實現了17500V的高壓碳化硅二極管器件;在此基礎上推動成果的快速轉化,推出了一批具有競爭力的產品。


面向未來需求,期待系統性突破、原創性成果


五十五所還積極參與國際交流,與德國、比利時等國外科研機構長期合作,跟蹤技術發展;同時與國內外眾多科研院所、企業建立了合作關系,如在單晶材料方面有中科院物理所、山東大學、中國電科46所,在器件模型和電路設計方面與西安電子科技大學、南京大學、浙江大學、東南大學、電子科技大學等,在應用方面有中車集團、國家電網公司等企業,提供技術服務和數據共享,發揮技術輻射作用。


“系列化、連續性、多樣化的緊密合作,不但能夠增強創新和跨界維度,而且也帶動了寬禁帶半導體電力電子器件技術鏈上下游的協同發展,增強重點實驗室研究平臺的凝聚力和影響力?!?


柏松博士介紹,寬禁帶半導體電力電子器件實驗室下一步的重點是面向新能源、電動機車、智能電網等戰略新興產業對能源高效轉換核心電力電子器件的未來需求,致力自主開展應用基礎和競爭前沿共性技術研究,攻克重大關鍵技術難題,引領行業技術進步,打破國外技術壟斷,推動我國碳化硅和氮化鎵電力電子器件技術的快速發展,并加快實現成果轉化,帶動國內相關產業的轉型升級,為我國的新能源戰略的實施提供技術支撐,讓我國的新能源產品早日走向世界。


“預計到2020年,將形成國際主流的外延、器件和集成科研條件和技術開發能力,在材料、器件、系統研究方面取得系統性突破和原創性成果?!卑厮烧f,同時依托五十五所電力電子產業基礎,完成成果轉化3至5項,實現產值3至5億元,批量應用于新能源等。

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