山东天岳:半导体碳化硅应用实现节能重大突破

    山东天岳先进材料科技有限公司成立于2010年10月,是一家致力于半导体晶体材料的研发、生产和技术服务的高科技企业。公司依托山东大学晶体材料国家重点实验室(中国晶体领域唯一重点实验室),是山东大学承担的国家“973”和“863”计划碳化硅(SiC)重大项目产业化基地和联合研发中心。
    在已故著名科学家中国科学院蒋民华院士的带领下,经过十多年艰苦努力,突破层层技术障碍,打破国外垄断,成为世界上少数几个掌握此技术的单位之一,目前技术成熟可靠。
    公司产品主要有2英寸、3英寸、4英寸N型和半绝缘型半导体碳化硅单晶衬底,广泛应用于大功率高频电子器件、射频器件、半导体发光二极管(LED),产品涉及到军事工业、民用航空、半导体照明、电子产品背光源等国家鼓励发展产业,是第三代半导体的核心材料,属于《国家中长期科学和技术发展规划纲要》和国家“十二五”发展规划中重点培育和发展的战略性新兴产业。
    山东天岳公司拥有国际顶尖的技术团队,具备强大的研发能力。自成立以来,公司上下本着“求实创新,产业报国”的企业理念,加大技术研发,加快产业化发展,育晶育人,报效国家。
    杨建伟
    半导体碳化硅时代
    已经到来
    从原始社会的石器时代到今日的信息时代,人类社会的发展史无疑也是一部材料的发展变革史。上世纪初发展起来的硅材料也应运成为当代信息产业发展的基石,而正是硅材料芯片造就了独占世界信息产业鳌头的美国硅谷高科技产业集群,吸引了苹果、英特尔、谷歌等世界顶级半导体产业巨头聚集此处。
    目前95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路都是由硅材料制作。经过近百年的发展,性能优势已得到充分发挥的硅材料逐渐无法满足高温、高压、抗辐射等方面要求,半导体行业急需适应现代产业需求的新型材料。而经过100多年的认知和20多年的研发后,碳化硅材料已被业界认为是继硅、砷化镓之后发展最为成熟的第三代半导体材料,其优越的半导体性能远超硅材料。
    碳化硅材料可广泛应用于电力电子器件(二极管、场效应管、换能器、马达驱动器、输出整流器)、射频器件(宽带通讯、有源相控阵雷达)、光电子器件(大功率发光二极管)等领域,与大众生活息息相关,具有重要的战略地位,业界广泛认为,宽禁带半导体碳化硅材料的发展将引领世界第三次半导体产业革命。
    据统计,如果使用半导体碳化硅材料LED路灯替代高压钠灯,以1000支为单位,一年可节省人民币187.98万元；我国照明用电每年在3000亿度以上,如果用半导体碳化硅LED取代全部白炽灯或部分取代荧光灯,可节省三分之一的照明用电,即1000亿千瓦时,这也就意味着节省了相当于总投资超过2000亿元人民币的三峡工程全年的发电量。这对于能源供应紧张的我国来说,具有重要的战略意义。根据新能源产业技术综合开发研究机构的估算结果,到2030年,随着半导体碳化硅材料的普及,如将内置半导体器件全部由碳化硅材料制作,与传统的硅材料器件相比,电力损耗下降幅度最高可达47%。
    综上可见,解决未来新能源发展问题的一个重要途径就是更为广泛地推广使用半导体碳化硅材料,世界正在迎来由半导体碳化硅材料引领的新时代。
    站在“金字塔尖”上的
    节能之源
    碳化硅产业链按晶体生长、晶片加工、外延加工、芯片制造、器件封装与应用可分为上、中、下游。而其中处在产业上游的碳化硅晶片、芯片制造领域目前被欧美日等少数几家巨头垄断,因这一环节技术含量高,资本投入大,所以进入的壁垒远远高于劳动密集型的中下游环节,整个碳化硅产业呈现金字塔形的产业结构。
    从我国产业发展的实际情况来看,如果“金字塔尖”的碳化硅材料上游开发受阻,将严重制约产业链中下游的器件、封装与应用领域的发展。
    长期以来,我国的电子器件主要依靠进口,其中2011年的进口额就高达3000亿美元,超过了石油进口额。半导体碳化硅衬底及芯片的重要战略价值,使其始终稳居美国商务部的禁运名单,这也导致我国很难从国外获得相应产品。而如今,山东天岳公司已将山东大学晶体材料国家重点实验室(晶体领域我国唯一的国家重点实验室)十余年的研发成果大尺寸碳化硅衬底生长加工技术,进行了产业转化,填补了国内在该领域的空白,打破欧美发达国家长期以来对我国的技术垄断、产品禁运,从源头上解决了受制于人的局面。山东天岳已经站在了碳化硅产业上游的“金字塔尖”上,为我国节能事业的发展拓宽道路。
    更高效、更轻小、
    更环保的电力电子设备
    在电子设备运行过程中,75%以上的能量消耗需要半导体器件进行转化,先进的半导体碳化硅技术在有效降低器件自身功耗的同时,还可以直接或间接地提高系统其他部件的能效,在能量的传递和使用过程中,起到监测、调节、优化和控制的作用,达到更高效、更节能、更环保的利用能源。半导体碳化硅材料的发展应用前景非常广阔,应用范围正从传统的工业控制领域(计算机、通信、消费类电子产品和汽车电子)逐步扩展到国民经济与国防建设的各个方面。
    据统计,在全球能源消耗构成比例中,家电和信息通讯领域分别占16%和14%,而电机领域则占据了能源消耗的“半壁江山”,达51%之多。可见,对电机的节能改进成为降低能源消耗的重要工作。
    通过应用变频调速技术改变电机驱动方式,使电机在最节能的转速下运行,可大大降低轻载运行时的能量消耗。以变频家电为例,通过集成功率器件及其驱动保护芯片后,变频空调比定速空调节电20%—30%;变频冰箱比常规冰箱节电50%左右。在其他领域,一个小小的半导体碳化硅功率器件则能使石化系统实现节能46%,冶金系统节能42%,城市供排水系统节能45%,化工系统节能24%。我国目前风机、水泵、压缩机系统总装机容量约1.6亿千瓦,年耗电近5000亿千瓦时,如果改变调节方式,可实现节能10%—15%,约为500亿—700亿千瓦时,如此惊人的数字也都归功于半导体碳化硅功率器件。在5千伏以上的高压应用领域,半导体碳化硅功率器件在开关损耗与浪涌电压上均有应用,开关损耗最大可降低92%。半导体碳化硅功率器件功耗降低效果明显,设备的发热量大幅减少,使得设备的冷却机构进一步简化,进而大幅度降低电机的体积和重量。同时,随着电机冷却机构简化,制作散热器所用金属材料也相对减少,这也将有效缓解铜、铁及石油等多种资源供求不平的严峻形势。
    未来,半导体碳化硅材料制作成的功率器件将支撑起当今节能技术的发展趋向,成为节能设备最核心的部件,因此半导体碳化硅功率器件也被业界誉为功率变流装置的“CPU”、绿色经济的“核芯”。
    除了电机之外,混合动力汽车和电动汽车(HEV/EV)也是半导体碳化硅材料应用的另一个重要领域。本世纪以来,我国经济持续增长,汽车普及率逐年上升,已成为全球汽车产销第一大国,油费也已成为有车一族的一项大额生活支出。
    2004年,我国成为世界第二大石油进口国,2011年全年我国原油表观消费量在4.54亿吨左右,是全球原油消费增长最快的国家。随着全球石油储存量的减少,国际油价的不断飙升,新能源汽车无疑将是未来汽车业发展的主要方向。
    新能源汽车产业要求逆变器(即马达驱动)的半导体功率模块,在处理高强度电流时,具有远超出普通工业用途逆变器的可靠性；在大电流功率模块中,具有更好的散热性,高效、快速、耐高温、可靠性高的半导体碳化硅模块完全符合新能源汽车要求。半导体碳化硅功率模块小型化的特点可大幅削减新能源汽车的电力损失,使其在200摄氏度高温下仍能正常工作,热容进一步减少。更轻、更小的设备更使新能源汽车的载重压力变小,进一步减小能量耗费,促进节能环保。
    目前,德国英飞凌公司针对纯电动和插电式混合动力车,研制出的半导体碳化硅功率模块,将功率范围控制在20—80千瓦；采用沟槽栅和场截止层等国际最先进技术,降低饱和电压,维持开关速度,减小芯片厚度,增大功率密度。另外,通过改进模块内部的焊线工艺,将结温提高到150摄氏度或175摄氏度,增加了功率循环次数,提高了可靠性,大大降低了能耗。
    半导体碳化硅材料除了在上述电机及新能源汽车节能中占有重要地位外,在高铁、太阳能、风能、电力输送、UPS不间断电源等电力电子领域均起到了卓越的节能环保作用。
    更明亮、更清晰、
    更节能的光电子设备
    发光二极管(LED)是利用半导体中电子与空穴复合发光的一种电子元器件,是一种节能环保的冷光源。从20世纪60年代初第一只LED诞生以来,经过40多年的努力,已经实现了红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七彩色LED的生产和应用。特别是1994年高亮度蓝光LED的诞生,拉开了半导体照明灯(白光LED)逐步替代现有的白炽灯、日光灯作通用照明光源的序幕,引发照明工业的又一场革命。
    目前,可用于批量生产半导体照明灯外延片的衬底材料仅有蓝宝石和碳化硅材料。碳化硅材料具有与氮化镓晶格失配小、热导率高、器件尺寸小、抗静电能力强、可靠性高等优点,是氮化镓系外延材料的理想衬底,由于其良好的热导率(导热性能比蓝宝石衬底高出10倍以上),解决了功率型氮化镓LED器件的散热问题,特别适合用于制备大功率的半导体照明用LED。使用碳化硅材料作为衬底的芯片电极为L型,两个电极分布在器件的表面和底部,所产生的热量可以通过电极直接导出；同时这种衬底不需要电流扩散层,因此光不会被电流扩散层的材料吸收,这样既大大提高了出光效率,又能有效的降低能耗。
    今年4月美国科锐公司在半导体碳化硅衬底上制作的白光功率型LED光效再度刷新行业最高纪录,达到254流明每瓦。该项纪录打破了美国科锐公司去年初取得的231流明每瓦的研发成果,再次彰显了半导体碳化硅衬底在大功率LED方面的优势,目前市场上5瓦以上的白光LED均由半导体碳化硅衬底制备。
    2008年北京奥运会期间建造的水立方场馆照明即采用了496000颗碳化硅基大功率LED,获得了国际最高照明设计大奖；鸟巢也是用250000颗碳化硅基大功率LED点亮。因国外垄断,水立方和鸟巢的照明材料均从美国的科锐公司进口。现在美国科锐公司推出了“LED城市照明计划”,旨在以碳化硅材料作为衬底,面向全球推动和部署节能LED照明。建设绿色照明示范工程树立起节能减排、环保先进的新形象,必将促进半导体碳化硅照明产业的进程,加快半导体碳化硅时代的到来。
    环境保护、经济效益和实际应用的需求是促进节能技术发展的三大因素。随着节能需求逐步增加,半导体碳化硅材料生产不但要降低自身的能耗,还要担负起降低系统能耗的重任。作为以研制、生产半导体晶体及衬底材料为主的高科技企业,山东天岳公司在进一步扩大产业化规模,为下游产业提供高品质半导体碳化硅材料的同时,也在不断进行技术研发,致力于提供完整的高能效解决方案。目前,山东天岳公司已开始涉及产业链中下游领域,加大研发人才队伍的建设,加快半导体碳化硅功率模块的科研速度及力度,为未来的节能减排作出更大贡献。