先進(jìn)半導(dǎo)體在能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建中的發(fā)展機(jī)遇

劉謹(jǐn)華 程海雨 李擎 趙有澤

縱觀人類發(fā)展歷史，每一次工業(yè)革命都離不開(kāi)能源類型和使用方法的革新。第3次科技革命，以原子能和信息技術(shù)等發(fā)明和應(yīng)用為主，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，基于互聯(lián)網(wǎng)理念構(gòu)建的信息能源融合廣域網(wǎng)概念被提出。在能源短缺與全球變暖的大背景下，能源互聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)能源共享、綠色環(huán)保的技術(shù)，成為未來(lái)世界各國(guó)爭(zhēng)奪的新的技術(shù)領(lǐng)域之一。

能源互聯(lián)網(wǎng)，是以電力系統(tǒng)為核心，以互聯(lián)網(wǎng)及其他前沿信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以分布式可再生能源為主要一次能源，與天然氣網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)絡(luò)等其他系統(tǒng)緊密耦合而形成的復(fù)雜多網(wǎng)流系統(tǒng)[1]。能源互聯(lián)網(wǎng)以互聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)為指揮中心，將電力系統(tǒng)作為各能源的轉(zhuǎn)換樞紐，將多個(gè)系統(tǒng)緊密耦合形成復(fù)雜的能源與信息網(wǎng)絡(luò)（圖1）。

能源互聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)能源與信息結(jié)合的系統(tǒng)，具有開(kāi)放、互聯(lián)、分布式、對(duì)等、共享等理念，以及具有以下特征[2]：能夠支持多類型能源的互聯(lián)，提高能源綜合使用效率；能夠支持可再生能源的接入和消納；支持能量自由傳輸和用戶廣泛接入的互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)；支持集中與分布相結(jié)合的結(jié)構(gòu)等特征?？梢钥吹?，能源互聯(lián)網(wǎng)不是單純的互聯(lián)網(wǎng)與能源的相加，而是互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)與可再生能源三者的結(jié)合，智能電網(wǎng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)的核心，同時(shí)接入可再生能源，利用互聯(lián)網(wǎng)高效傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)最大限度的對(duì)能源進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)能源向清潔、低碳、環(huán)保轉(zhuǎn)型。

智能網(wǎng)絡(luò)是能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)支持。能源互聯(lián)網(wǎng)在信息通訊方面，需要多樣信息的實(shí)時(shí)接入能力，高速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳送能力，高效的數(shù)據(jù)處理能力，智能的數(shù)據(jù)分析與決策能力，以及強(qiáng)大的信息安全保障[3]?；诎雽?dǎo)體材料開(kāi)發(fā)而成的芯片是互聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)大的算力核心，隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與推廣，芯片產(chǎn)品的市場(chǎng)需求將會(huì)進(jìn)一步增大，對(duì)半導(dǎo)體材料的自身性能與制造能力提出了更高的要求。

作為電子世界的基石、現(xiàn)代電子世界的核心器件，半導(dǎo)體材料的基本特性決定了器件的基本物理特性。對(duì)于單晶硅、鍺構(gòu)成的半導(dǎo)體在著名的摩爾定律下發(fā)展越來(lái)越接近其物理極限，一個(gè)個(gè)技術(shù)瓶頸使得一代半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)速度降低。與此同時(shí)，先進(jìn)的半導(dǎo)體材料也相繼被提出，從第1代的硅（Si）鍺，到第2代的砷化鎵、銻化銦等，以及現(xiàn)在的第3代半導(dǎo)體，碳化硅（SiC）與氮化鎵。相比于第1代半導(dǎo)體，第3代半導(dǎo)體具有禁帶寬度更寬、電子漂移飽和速率更高、絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)更高、熱導(dǎo)率更高等優(yōu)勢(shì)，適用于高溫、高頻、高壓、高功率器件。基于上述先進(jìn)半導(dǎo)體材料所制造的硬件設(shè)備也具有上述優(yōu)點(diǎn)，這在需要大量數(shù)據(jù)傳送，能量轉(zhuǎn)換的能源互聯(lián)網(wǎng)中有著良好的發(fā)展前景。

1 第3代半導(dǎo)體材料研究現(xiàn)狀

隨著硅材料電力電子設(shè)備的不斷優(yōu)化，性能已經(jīng)接近Si材料的物理極限，而第3代半導(dǎo)體的應(yīng)用使得功率器件的性能有著飛躍性的提升。從1992年美國(guó)北卡州立大學(xué)功率半導(dǎo)體研究中心[4]在全世界首次研制成功阻斷電壓，描述了SiC肖特基勢(shì)壘二極管的制作及其特性后，在世界各地范圍內(nèi)，已經(jīng)有許多科研工作者在襯底、外延片、器件設(shè)計(jì)制造等方面展開(kāi)研究。

蘇州維特萊恩公司與俄羅斯LETI法創(chuàng)始人Tairov及其團(tuán)隊(duì)[5]采用電阻法加熱方式，研制出4英寸和6英寸SiC單晶生長(zhǎng)技術(shù)。研究結(jié)果表明，晶體最大直徑為160mm、等徑厚度達(dá)25～35mm、微管密度≤2cm2/個(gè)、基面位錯(cuò)密度≤1 200cm2/個(gè)、電阻率0.01～0.035Ω·cm，晶體利用率高達(dá)85%。采用電阻法加熱能夠有效避免晶體生長(zhǎng)過(guò)程中多型、層錯(cuò)缺陷增殖的出現(xiàn)，更加適合6英寸以上的SiC晶體的制備。4英寸和6英寸SiC晶體實(shí)際測(cè)量如圖2、圖3所示。

中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所劉興昉[6]等人通過(guò)外延生長(zhǎng)的方法在4H—SiC襯底上制備了P+/P/N—外延薄膜。相比于注入法，具有參雜精度高、阱區(qū)幾何尺寸的優(yōu)勢(shì)。

南京電子器件研究所劉濤等人[7]利用仿真優(yōu)化了常開(kāi)型高壓4H—SiC JFET的器件結(jié)構(gòu)，自主研發(fā)3000V10A4H—SiC結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，完成的SiC JFET器件如圖4所示。測(cè)試表明當(dāng)柵極電壓偏置VG=-6V時(shí)，JFET樣管阻斷電壓達(dá)到3000V，泄露電流低于100μA；當(dāng)柵極電壓偏置為7V，漏電壓VD=3V時(shí)，正向電流達(dá)到10A以上，對(duì)應(yīng)的電流密度為100A/cm2。

新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭嬌陽(yáng)等人[8]針對(duì)的SiC MOSFET短路柵源極失效的判定方法做了相應(yīng)的研究（圖5），在對(duì)比傳統(tǒng)的基于uGS的傳統(tǒng)柵源極短路判定方法具有延遲較高，以及波形中斷時(shí)uGS的上升程度不明顯容易誤判的缺點(diǎn)。于是彭嬌陽(yáng)等人提出了基于IGSS的柵源極的失效判定方法。通過(guò)設(shè)定短路沖擊強(qiáng)度，利用在短路沖擊下，MOSFET柵極電介質(zhì)層發(fā)生的特殊變化導(dǎo)致器件的性能變化，最終導(dǎo)致SiC MOSFET的IGSS的參數(shù)增大，以此為基礎(chǔ)判斷器件的柵源極失效。

廣東美的制冷設(shè)備有限公司馮宇翔[9]對(duì)比研究了全SiC智能功率模塊、半SiC智能功率模塊以及Si智能功率模塊之間的功耗數(shù)據(jù)，對(duì)比得出全SiC智能功率模塊功耗低于半SiC智能功率模塊低于全Si智能功率模塊。模塊設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1、圖6所示。

2 第3代半導(dǎo)體材料在能源互聯(lián)網(wǎng)中優(yōu)勢(shì)

2.1 第3代半導(dǎo)體的材料特性

在能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建中，綠色環(huán)保與高效率的能源交換是能源互聯(lián)網(wǎng)被提出的主要特征之一。在大量的能量雙向流動(dòng)中，需要通過(guò)智能芯片的不斷調(diào)控完成能量的流動(dòng)過(guò)程。假如從材料層面上思考每一個(gè)智能功率器件都具有較低的能耗，在能源互聯(lián)網(wǎng)的體量下，節(jié)省的能源量是可觀的。

而由傳統(tǒng)Si材料制成的半導(dǎo)體智能芯片在不斷的革新中逐漸趨近于其物理極限10]。以SiC為例，作為寬禁帶材料，具有Si材料3倍的禁帶寬度，10倍以上的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度，3倍以上的導(dǎo)熱率，2倍以上的電子飽和漂移速率[11]。由于SiC、GaN等第3代半導(dǎo)體具有更寬的禁帶，處于價(jià)帶的電子不容易躍遷至導(dǎo)帶，使得SiC與GaN能夠在高溫、高壓中正常工作。在以光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、以及新能源汽車等高功率的情景下，能夠節(jié)省較多的電能，增加能源轉(zhuǎn)換效率。以第3代半導(dǎo)體為基礎(chǔ)材料構(gòu)建的器件則具有在高溫下的良好轉(zhuǎn)換特性與工作能力，具有更少的能量損耗、更寬的頻率適應(yīng)能力等優(yōu)勢(shì)[12，13]。

2.2 第3代半導(dǎo)體的材料適用領(lǐng)域 GaN的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域在1 000V以下的高頻領(lǐng)域中，而SiC的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域集中在1 200V高壓、高溫下的高壓電領(lǐng)域[14]。在智能電網(wǎng)的建設(shè)中，應(yīng)用SiC作為半導(dǎo)體材料能夠降低60%的電力損耗、提高40%的供電效率。對(duì)于太陽(yáng)能發(fā)電、新能源汽車等領(lǐng)域也有可觀的能源利用率的增加。其對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建具有重要作用。

2.3 第3代半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)成熟

第3代半導(dǎo)體在生產(chǎn)方面已經(jīng)有了基本的生產(chǎn)方法與技術(shù)[15]。在SiC晶體生產(chǎn)方面有物理氣相傳輸法、高溫化學(xué)氣相沉積和液相法等；在襯底方面有注入法與電阻法加熱方式；在外延方面有化學(xué)氣相淀積、液相外延、分子束外延以及升華外延等。對(duì)于氮化鎵來(lái)說(shuō)，其主要的制備方法為異質(zhì)外延制備的方法。

3 結(jié)語(yǔ)

以碳化硅、氮化鎵為代表的第3代半導(dǎo)體具有較好的功率特性，更加適用于頻繁且大量的能量交換過(guò)程。隨著時(shí)間的發(fā)展，對(duì)第3代半導(dǎo)體研究的加進(jìn)，第3代半導(dǎo)體的制備技術(shù)逐步向著工業(yè)化發(fā)展，使得材料的制備方面更加成熟。除此之外，在智能電網(wǎng)的研究推進(jìn)下，半導(dǎo)體構(gòu)成的設(shè)備也有了相應(yīng)的發(fā)展，更多基于第3代半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的設(shè)備也不斷被推出。

隨著我國(guó)的工業(yè)實(shí)力不斷增強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，基建設(shè)施不斷完善，對(duì)新的能源利用方式提出了更前沿的要求。在新基建的帶領(lǐng)下，5G通信技術(shù)、新能源汽車樁以及智能電網(wǎng)的建設(shè)等方面都需要先進(jìn)半導(dǎo)體材料的支持[16]。因此，先進(jìn)半導(dǎo)體在能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建中，起到了代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅材料，增加能量交換效率的關(guān)鍵作用，具有很好的發(fā)展前景。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.05.007

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