山東天岳先進材料科技有限公司成立于2010年10月,是一家致力于半導(dǎo)體晶體材料的研發(fā)、生產(chǎn)和技術(shù)服務(wù)的高科技企業(yè)。公司依托山東大學(xué)晶體材料國家重點實驗室(中國晶體領(lǐng)域唯一重點實驗室),是山東大學(xué)承擔的國家“973”和“863”計劃碳化硅(SiC)重大項目產(chǎn)業(yè)化基地和聯(lián)合研發(fā)中心。
在已故著名科學(xué)家中國科學(xué)院蔣民華院士的帶領(lǐng)下,經(jīng)過十多年艱苦努力,突破層層技術(shù)障礙,打破國外壟斷,成為世界上少數(shù)幾個掌握此技術(shù)的單位之一,目前技術(shù)成熟可靠。
公司產(chǎn)品主要有2英寸、3英寸、4英寸N型和半絕緣型半導(dǎo)體碳化硅單晶襯底,廣泛應(yīng)用于大功率高頻電子器件、射頻器件、半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED),產(chǎn)品涉及到軍事工業(yè)、民用航空、半導(dǎo)體照明、電子產(chǎn)品背光源等國家鼓勵發(fā)展產(chǎn)業(yè),是第三代半導(dǎo)體的核心材料,屬于《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》和國家“十二五”發(fā)展規(guī)劃中重點培育和發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。
山東天岳公司擁有國際頂尖的技術(shù)團隊,具備強大的研發(fā)能力。自成立以來,公司上下本著“求實創(chuàng)新,產(chǎn)業(yè)報國”的企業(yè)理念,加大技術(shù)研發(fā),加快產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,育晶育人,報效國家。
楊建偉
半導(dǎo)體碳化硅時代
已經(jīng)到來
從原始社會的石器時代到今日的信息時代,人類社會的發(fā)展史無疑也是一部材料的發(fā)展變革史。上世紀初發(fā)展起來的硅材料也應(yīng)運成為當代信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石,而正是硅材料芯片造就了獨占世界信息產(chǎn)業(yè)鰲頭的美國硅谷高科技產(chǎn)業(yè)集群,吸引了蘋果、英特爾、谷歌等世界頂級半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)巨頭聚集此處。
目前95%以上的半導(dǎo)體器件和99%以上的集成電路都是由硅材料制作。經(jīng)過近百年的發(fā)展,性能優(yōu)勢已得到充分發(fā)揮的硅材料逐漸無法滿足高溫、高壓、抗輻射等方面要求,半導(dǎo)體行業(yè)急需適應(yīng)現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)需求的新型材料。而經(jīng)過100多年的認知和20多年的研發(fā)后,碳化硅材料已被業(yè)界認為是繼硅、砷化鎵之后發(fā)展最為成熟的第三代半導(dǎo)體材料,其優(yōu)越的半導(dǎo)體性能遠超硅材料。
碳化硅材料可廣泛應(yīng)用于電力電子器件(二極管、場效應(yīng)管、換能器、馬達驅(qū)動器、輸出整流器)、射頻器件(寬帶通訊、有源相控陣雷達)、光電子器件(大功率發(fā)光二極管)等領(lǐng)域,與大眾生活息息相關(guān),具有重要的戰(zhàn)略地位,業(yè)界廣泛認為,寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅材料的發(fā)展將引領(lǐng)世界第三次半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)革命。
據(jù)統(tǒng)計,如果使用半導(dǎo)體碳化硅材料LED路燈替代高壓鈉燈,以1000支為單位,一年可節(jié)省人民幣187.98萬元；我國照明用電每年在3000億度以上,如果用半導(dǎo)體碳化硅LED取代全部白熾燈或部分取代熒光燈,可節(jié)省三分之一的照明用電,即1000億千瓦時,這也就意味著節(jié)省了相當于總投資超過2000億元人民幣的三峽工程全年的發(fā)電量。這對于能源供應(yīng)緊張的我國來說,具有重要的戰(zhàn)略意義。根據(jù)新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)研究機構(gòu)的估算結(jié)果,到2030年,隨著半導(dǎo)體碳化硅材料的普及,如將內(nèi)置半導(dǎo)體器件全部由碳化硅材料制作,與傳統(tǒng)的硅材料器件相比,電力損耗下降幅度最高可達47%。
綜上可見,解決未來新能源發(fā)展問題的一個重要途徑就是更為廣泛地推廣使用半導(dǎo)體碳化硅材料,世界正在迎來由半導(dǎo)體碳化硅材料引領(lǐng)的新時代。
站在“金字塔尖”上的
節(jié)能之源
碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈按晶體生長、晶片加工、外延加工、芯片制造、器件封裝與應(yīng)用可分為上、中、下游。而其中處在產(chǎn)業(yè)上游的碳化硅晶片、芯片制造領(lǐng)域目前被歐美日等少數(shù)幾家巨頭壟斷,因這一環(huán)節(jié)技術(shù)含量高,資本投入大,所以進入的壁壘遠遠高于勞動密集型的中下游環(huán)節(jié),整個碳化硅產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)金字塔形的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。
從我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實際情況來看,如果“金字塔尖”的碳化硅材料上游開發(fā)受阻,將嚴重制約產(chǎn)業(yè)鏈中下游的器件、封裝與應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。
長期以來,我國的電子器件主要依靠進口,其中2011年的進口額就高達3000億美元,超過了石油進口額。半導(dǎo)體碳化硅襯底及芯片的重要戰(zhàn)略價值,使其始終穩(wěn)居美國商務(wù)部的禁運名單,這也導(dǎo)致我國很難從國外獲得相應(yīng)產(chǎn)品。而如今,山東天岳公司已將山東大學(xué)晶體材料國家重點實驗室(晶體領(lǐng)域我國唯一的國家重點實驗室)十余年的研發(fā)成果大尺寸碳化硅襯底生長加工技術(shù),進行了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化,填補了國內(nèi)在該領(lǐng)域的空白,打破歐美發(fā)達國家長期以來對我國的技術(shù)壟斷、產(chǎn)品禁運,從源頭上解決了受制于人的局面。山東天岳已經(jīng)站在了碳化硅產(chǎn)業(yè)上游的“金字塔尖”上,為我國節(jié)能事業(yè)的發(fā)展拓寬道路。
更高效、更輕小、
更環(huán)保的電力電子設(shè)備
在電子設(shè)備運行過程中,75%以上的能量消耗需要半導(dǎo)體器件進行轉(zhuǎn)化,先進的半導(dǎo)體碳化硅技術(shù)在有效降低器件自身功耗的同時,還可以直接或間接地提高系統(tǒng)其他部件的能效,在能量的傳遞和使用過程中,起到監(jiān)測、調(diào)節(jié)、優(yōu)化和控制的作用,達到更高效、更節(jié)能、更環(huán)保的利用能源。半導(dǎo)體碳化硅材料的發(fā)展應(yīng)用前景非常廣闊,應(yīng)用范圍正從傳統(tǒng)的工業(yè)控制領(lǐng)域(計算機、通信、消費類電子產(chǎn)品和汽車電子)逐步擴展到國民經(jīng)濟與國防建設(shè)的各個方面。
據(jù)統(tǒng)計,在全球能源消耗構(gòu)成比例中,家電和信息通訊領(lǐng)域分別占16%和14%,而電機領(lǐng)域則占據(jù)了能源消耗的“半壁江山”,達51%之多。可見,對電機的節(jié)能改進成為降低能源消耗的重要工作。
通過應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)改變電機驅(qū)動方式,使電機在最節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運行,可大大降低輕載運行時的能量消耗。以變頻家電為例,通過集成功率器件及其驅(qū)動保護芯片后,變頻空調(diào)比定速空調(diào)節(jié)電20%—30%;變頻冰箱比常規(guī)冰箱節(jié)電50%左右。在其他領(lǐng)域,一個小小的半導(dǎo)體碳化硅功率器件則能使石化系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能46%,冶金系統(tǒng)節(jié)能42%,城市供排水系統(tǒng)節(jié)能45%,化工系統(tǒng)節(jié)能24%。我國目前風(fēng)機、水泵、壓縮機系統(tǒng)總裝機容量約1.6億千瓦,年耗電近5000億千瓦時,如果改變調(diào)節(jié)方式,可實現(xiàn)節(jié)能10%—15%,約為500億—700億千瓦時,如此驚人的數(shù)字也都歸功于半導(dǎo)體碳化硅功率器件。在5千伏以上的高壓應(yīng)用領(lǐng)域,半導(dǎo)體碳化硅功率器件在開關(guān)損耗與浪涌電壓上均有應(yīng)用,開關(guān)損耗最大可降低92%。半導(dǎo)體碳化硅功率器件功耗降低效果明顯,設(shè)備的發(fā)熱量大幅減少,使得設(shè)備的冷卻機構(gòu)進一步簡化,進而大幅度降低電機的體積和重量。同時,隨著電機冷卻機構(gòu)簡化,制作散熱器所用金屬材料也相對減少,這也將有效緩解銅、鐵及石油等多種資源供求不平的嚴峻形勢。
未來,半導(dǎo)體碳化硅材料制作成的功率器件將支撐起當今節(jié)能技術(shù)的發(fā)展趨向,成為節(jié)能設(shè)備最核心的部件,因此半導(dǎo)體碳化硅功率器件也被業(yè)界譽為功率變流裝置的“CPU”、綠色經(jīng)濟的“核芯”。
除了電機之外,混合動力汽車和電動汽車(HEV/EV)也是半導(dǎo)體碳化硅材料應(yīng)用的另一個重要領(lǐng)域。本世紀以來,我國經(jīng)濟持續(xù)增長,汽車普及率逐年上升,已成為全球汽車產(chǎn)銷第一大國,油費也已成為有車一族的一項大額生活支出。
2004年,我國成為世界第二大石油進口國,2011年全年我國原油表觀消費量在4.54億噸左右,是全球原油消費增長最快的國家。隨著全球石油儲存量的減少,國際油價的不斷飆升,新能源汽車無疑將是未來汽車業(yè)發(fā)展的主要方向。
新能源汽車產(chǎn)業(yè)要求逆變器(即馬達驅(qū)動)的半導(dǎo)體功率模塊,在處理高強度電流時,具有遠超出普通工業(yè)用途逆變器的可靠性；在大電流功率模塊中,具有更好的散熱性,高效、快速、耐高溫、可靠性高的半導(dǎo)體碳化硅模塊完全符合新能源汽車要求。半導(dǎo)體碳化硅功率模塊小型化的特點可大幅削減新能源汽車的電力損失,使其在200攝氏度高溫下仍能正常工作,熱容進一步減少。更輕、更小的設(shè)備更使新能源汽車的載重壓力變小,進一步減小能量耗費,促進節(jié)能環(huán)保。
目前,德國英飛凌公司針對純電動和插電式混合動力車,研制出的半導(dǎo)體碳化硅功率模塊,將功率范圍控制在20—80千瓦；采用溝槽柵和場截止層等國際最先進技術(shù),降低飽和電壓,維持開關(guān)速度,減小芯片厚度,增大功率密度。另外,通過改進模塊內(nèi)部的焊線工藝,將結(jié)溫提高到150攝氏度或175攝氏度,增加了功率循環(huán)次數(shù),提高了可靠性,大大降低了能耗。
半導(dǎo)體碳化硅材料除了在上述電機及新能源汽車節(jié)能中占有重要地位外,在高鐵、太陽能、風(fēng)能、電力輸送、UPS不間斷電源等電力電子領(lǐng)域均起到了卓越的節(jié)能環(huán)保作用。
更明亮、更清晰、
更節(jié)能的光電子設(shè)備
發(fā)光二極管(LED)是利用半導(dǎo)體中電子與空穴復(fù)合發(fā)光的一種電子元器件,是一種節(jié)能環(huán)保的冷光源。從20世紀60年代初第一只LED誕生以來,經(jīng)過40多年的努力,已經(jīng)實現(xiàn)了紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七彩色LED的生產(chǎn)和應(yīng)用。特別是1994年高亮度藍光LED的誕生,拉開了半導(dǎo)體照明燈(白光LED)逐步替代現(xiàn)有的白熾燈、日光燈作通用照明光源的序幕,引發(fā)照明工業(yè)的又一場革命。
目前,可用于批量生產(chǎn)半導(dǎo)體照明燈外延片的襯底材料僅有藍寶石和碳化硅材料。碳化硅材料具有與氮化鎵晶格失配小、熱導(dǎo)率高、器件尺寸小、抗靜電能力強、可靠性高等優(yōu)點,是氮化鎵系外延材料的理想襯底,由于其良好的熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱性能比藍寶石襯底高出10倍以上),解決了功率型氮化鎵LED器件的散熱問題,特別適合用于制備大功率的半導(dǎo)體照明用LED。使用碳化硅材料作為襯底的芯片電極為L型,兩個電極分布在器件的表面和底部,所產(chǎn)生的熱量可以通過電極直接導(dǎo)出；同時這種襯底不需要電流擴散層,因此光不會被電流擴散層的材料吸收,這樣既大大提高了出光效率,又能有效的降低能耗。
今年4月美國科銳公司在半導(dǎo)體碳化硅襯底上制作的白光功率型LED光效再度刷新行業(yè)最高紀錄,達到254流明每瓦。該項紀錄打破了美國科銳公司去年初取得的231流明每瓦的研發(fā)成果,再次彰顯了半導(dǎo)體碳化硅襯底在大功率LED方面的優(yōu)勢,目前市場上5瓦以上的白光LED均由半導(dǎo)體碳化硅襯底制備。
2008年北京奧運會期間建造的水立方場館照明即采用了496000顆碳化硅基大功率LED,獲得了國際最高照明設(shè)計大獎；鳥巢也是用250000顆碳化硅基大功率LED點亮。因國外壟斷,水立方和鳥巢的照明材料均從美國的科銳公司進口�，F(xiàn)在美國科銳公司推出了“LED城市照明計劃”,旨在以碳化硅材料作為襯底,面向全球推動和部署節(jié)能LED照明。建設(shè)綠色照明示范工程樹立起節(jié)能減排、環(huán)保先進的新形象,必將促進半導(dǎo)體碳化硅照明產(chǎn)業(yè)的進程,加快半導(dǎo)體碳化硅時代的到來。
環(huán)境保護、經(jīng)濟效益和實際應(yīng)用的需求是促進節(jié)能技術(shù)發(fā)展的三大因素。隨著節(jié)能需求逐步增加,半導(dǎo)體碳化硅材料生產(chǎn)不但要降低自身的能耗,還要擔負起降低系統(tǒng)能耗的重任。作為以研制、生產(chǎn)半導(dǎo)體晶體及襯底材料為主的高科技企業(yè),山東天岳公司在進一步擴大產(chǎn)業(yè)化規(guī)模,為下游產(chǎn)業(yè)提供高品質(zhì)半導(dǎo)體碳化硅材料的同時,也在不斷進行技術(shù)研發(fā),致力于提供完整的高能效解決方案。目前,山東天岳公司已開始涉及產(chǎn)業(yè)鏈中下游領(lǐng)域,加大研發(fā)人才隊伍的建設(shè),加快半導(dǎo)體碳化硅功率模塊的科研速度及力度,為未來的節(jié)能減排作出更大貢獻。
在已故著名科學(xué)家中國科學(xué)院蔣民華院士的帶領(lǐng)下,經(jīng)過十多年艱苦努力,突破層層技術(shù)障礙,打破國外壟斷,成為世界上少數(shù)幾個掌握此技術(shù)的單位之一,目前技術(shù)成熟可靠。
公司產(chǎn)品主要有2英寸、3英寸、4英寸N型和半絕緣型半導(dǎo)體碳化硅單晶襯底,廣泛應(yīng)用于大功率高頻電子器件、射頻器件、半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED),產(chǎn)品涉及到軍事工業(yè)、民用航空、半導(dǎo)體照明、電子產(chǎn)品背光源等國家鼓勵發(fā)展產(chǎn)業(yè),是第三代半導(dǎo)體的核心材料,屬于《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》和國家“十二五”發(fā)展規(guī)劃中重點培育和發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。
山東天岳公司擁有國際頂尖的技術(shù)團隊,具備強大的研發(fā)能力。自成立以來,公司上下本著“求實創(chuàng)新,產(chǎn)業(yè)報國”的企業(yè)理念,加大技術(shù)研發(fā),加快產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,育晶育人,報效國家。
楊建偉
半導(dǎo)體碳化硅時代
已經(jīng)到來
從原始社會的石器時代到今日的信息時代,人類社會的發(fā)展史無疑也是一部材料的發(fā)展變革史。上世紀初發(fā)展起來的硅材料也應(yīng)運成為當代信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石,而正是硅材料芯片造就了獨占世界信息產(chǎn)業(yè)鰲頭的美國硅谷高科技產(chǎn)業(yè)集群,吸引了蘋果、英特爾、谷歌等世界頂級半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)巨頭聚集此處。
目前95%以上的半導(dǎo)體器件和99%以上的集成電路都是由硅材料制作。經(jīng)過近百年的發(fā)展,性能優(yōu)勢已得到充分發(fā)揮的硅材料逐漸無法滿足高溫、高壓、抗輻射等方面要求,半導(dǎo)體行業(yè)急需適應(yīng)現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)需求的新型材料。而經(jīng)過100多年的認知和20多年的研發(fā)后,碳化硅材料已被業(yè)界認為是繼硅、砷化鎵之后發(fā)展最為成熟的第三代半導(dǎo)體材料,其優(yōu)越的半導(dǎo)體性能遠超硅材料。
碳化硅材料可廣泛應(yīng)用于電力電子器件(二極管、場效應(yīng)管、換能器、馬達驅(qū)動器、輸出整流器)、射頻器件(寬帶通訊、有源相控陣雷達)、光電子器件(大功率發(fā)光二極管)等領(lǐng)域,與大眾生活息息相關(guān),具有重要的戰(zhàn)略地位,業(yè)界廣泛認為,寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅材料的發(fā)展將引領(lǐng)世界第三次半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)革命。
據(jù)統(tǒng)計,如果使用半導(dǎo)體碳化硅材料LED路燈替代高壓鈉燈,以1000支為單位,一年可節(jié)省人民幣187.98萬元；我國照明用電每年在3000億度以上,如果用半導(dǎo)體碳化硅LED取代全部白熾燈或部分取代熒光燈,可節(jié)省三分之一的照明用電,即1000億千瓦時,這也就意味著節(jié)省了相當于總投資超過2000億元人民幣的三峽工程全年的發(fā)電量。這對于能源供應(yīng)緊張的我國來說,具有重要的戰(zhàn)略意義。根據(jù)新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)研究機構(gòu)的估算結(jié)果,到2030年,隨著半導(dǎo)體碳化硅材料的普及,如將內(nèi)置半導(dǎo)體器件全部由碳化硅材料制作,與傳統(tǒng)的硅材料器件相比,電力損耗下降幅度最高可達47%。
綜上可見,解決未來新能源發(fā)展問題的一個重要途徑就是更為廣泛地推廣使用半導(dǎo)體碳化硅材料,世界正在迎來由半導(dǎo)體碳化硅材料引領(lǐng)的新時代。
站在“金字塔尖”上的
節(jié)能之源
碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈按晶體生長、晶片加工、外延加工、芯片制造、器件封裝與應(yīng)用可分為上、中、下游。而其中處在產(chǎn)業(yè)上游的碳化硅晶片、芯片制造領(lǐng)域目前被歐美日等少數(shù)幾家巨頭壟斷,因這一環(huán)節(jié)技術(shù)含量高,資本投入大,所以進入的壁壘遠遠高于勞動密集型的中下游環(huán)節(jié),整個碳化硅產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)金字塔形的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。
從我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實際情況來看,如果“金字塔尖”的碳化硅材料上游開發(fā)受阻,將嚴重制約產(chǎn)業(yè)鏈中下游的器件、封裝與應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。
長期以來,我國的電子器件主要依靠進口,其中2011年的進口額就高達3000億美元,超過了石油進口額。半導(dǎo)體碳化硅襯底及芯片的重要戰(zhàn)略價值,使其始終穩(wěn)居美國商務(wù)部的禁運名單,這也導(dǎo)致我國很難從國外獲得相應(yīng)產(chǎn)品。而如今,山東天岳公司已將山東大學(xué)晶體材料國家重點實驗室(晶體領(lǐng)域我國唯一的國家重點實驗室)十余年的研發(fā)成果大尺寸碳化硅襯底生長加工技術(shù),進行了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化,填補了國內(nèi)在該領(lǐng)域的空白,打破歐美發(fā)達國家長期以來對我國的技術(shù)壟斷、產(chǎn)品禁運,從源頭上解決了受制于人的局面。山東天岳已經(jīng)站在了碳化硅產(chǎn)業(yè)上游的“金字塔尖”上,為我國節(jié)能事業(yè)的發(fā)展拓寬道路。
更高效、更輕小、
更環(huán)保的電力電子設(shè)備
在電子設(shè)備運行過程中,75%以上的能量消耗需要半導(dǎo)體器件進行轉(zhuǎn)化,先進的半導(dǎo)體碳化硅技術(shù)在有效降低器件自身功耗的同時,還可以直接或間接地提高系統(tǒng)其他部件的能效,在能量的傳遞和使用過程中,起到監(jiān)測、調(diào)節(jié)、優(yōu)化和控制的作用,達到更高效、更節(jié)能、更環(huán)保的利用能源。半導(dǎo)體碳化硅材料的發(fā)展應(yīng)用前景非常廣闊,應(yīng)用范圍正從傳統(tǒng)的工業(yè)控制領(lǐng)域(計算機、通信、消費類電子產(chǎn)品和汽車電子)逐步擴展到國民經(jīng)濟與國防建設(shè)的各個方面。
據(jù)統(tǒng)計,在全球能源消耗構(gòu)成比例中,家電和信息通訊領(lǐng)域分別占16%和14%,而電機領(lǐng)域則占據(jù)了能源消耗的“半壁江山”,達51%之多。可見,對電機的節(jié)能改進成為降低能源消耗的重要工作。
通過應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)改變電機驅(qū)動方式,使電機在最節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運行,可大大降低輕載運行時的能量消耗。以變頻家電為例,通過集成功率器件及其驅(qū)動保護芯片后,變頻空調(diào)比定速空調(diào)節(jié)電20%—30%;變頻冰箱比常規(guī)冰箱節(jié)電50%左右。在其他領(lǐng)域,一個小小的半導(dǎo)體碳化硅功率器件則能使石化系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能46%,冶金系統(tǒng)節(jié)能42%,城市供排水系統(tǒng)節(jié)能45%,化工系統(tǒng)節(jié)能24%。我國目前風(fēng)機、水泵、壓縮機系統(tǒng)總裝機容量約1.6億千瓦,年耗電近5000億千瓦時,如果改變調(diào)節(jié)方式,可實現(xiàn)節(jié)能10%—15%,約為500億—700億千瓦時,如此驚人的數(shù)字也都歸功于半導(dǎo)體碳化硅功率器件。在5千伏以上的高壓應(yīng)用領(lǐng)域,半導(dǎo)體碳化硅功率器件在開關(guān)損耗與浪涌電壓上均有應(yīng)用,開關(guān)損耗最大可降低92%。半導(dǎo)體碳化硅功率器件功耗降低效果明顯,設(shè)備的發(fā)熱量大幅減少,使得設(shè)備的冷卻機構(gòu)進一步簡化,進而大幅度降低電機的體積和重量。同時,隨著電機冷卻機構(gòu)簡化,制作散熱器所用金屬材料也相對減少,這也將有效緩解銅、鐵及石油等多種資源供求不平的嚴峻形勢。
未來,半導(dǎo)體碳化硅材料制作成的功率器件將支撐起當今節(jié)能技術(shù)的發(fā)展趨向,成為節(jié)能設(shè)備最核心的部件,因此半導(dǎo)體碳化硅功率器件也被業(yè)界譽為功率變流裝置的“CPU”、綠色經(jīng)濟的“核芯”。
除了電機之外,混合動力汽車和電動汽車(HEV/EV)也是半導(dǎo)體碳化硅材料應(yīng)用的另一個重要領(lǐng)域。本世紀以來,我國經(jīng)濟持續(xù)增長,汽車普及率逐年上升,已成為全球汽車產(chǎn)銷第一大國,油費也已成為有車一族的一項大額生活支出。
2004年,我國成為世界第二大石油進口國,2011年全年我國原油表觀消費量在4.54億噸左右,是全球原油消費增長最快的國家。隨著全球石油儲存量的減少,國際油價的不斷飆升,新能源汽車無疑將是未來汽車業(yè)發(fā)展的主要方向。
新能源汽車產(chǎn)業(yè)要求逆變器(即馬達驅(qū)動)的半導(dǎo)體功率模塊,在處理高強度電流時,具有遠超出普通工業(yè)用途逆變器的可靠性；在大電流功率模塊中,具有更好的散熱性,高效、快速、耐高溫、可靠性高的半導(dǎo)體碳化硅模塊完全符合新能源汽車要求。半導(dǎo)體碳化硅功率模塊小型化的特點可大幅削減新能源汽車的電力損失,使其在200攝氏度高溫下仍能正常工作,熱容進一步減少。更輕、更小的設(shè)備更使新能源汽車的載重壓力變小,進一步減小能量耗費,促進節(jié)能環(huán)保。
目前,德國英飛凌公司針對純電動和插電式混合動力車,研制出的半導(dǎo)體碳化硅功率模塊,將功率范圍控制在20—80千瓦；采用溝槽柵和場截止層等國際最先進技術(shù),降低飽和電壓,維持開關(guān)速度,減小芯片厚度,增大功率密度。另外,通過改進模塊內(nèi)部的焊線工藝,將結(jié)溫提高到150攝氏度或175攝氏度,增加了功率循環(huán)次數(shù),提高了可靠性,大大降低了能耗。
半導(dǎo)體碳化硅材料除了在上述電機及新能源汽車節(jié)能中占有重要地位外,在高鐵、太陽能、風(fēng)能、電力輸送、UPS不間斷電源等電力電子領(lǐng)域均起到了卓越的節(jié)能環(huán)保作用。
更明亮、更清晰、
更節(jié)能的光電子設(shè)備
發(fā)光二極管(LED)是利用半導(dǎo)體中電子與空穴復(fù)合發(fā)光的一種電子元器件,是一種節(jié)能環(huán)保的冷光源。從20世紀60年代初第一只LED誕生以來,經(jīng)過40多年的努力,已經(jīng)實現(xiàn)了紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七彩色LED的生產(chǎn)和應(yīng)用。特別是1994年高亮度藍光LED的誕生,拉開了半導(dǎo)體照明燈(白光LED)逐步替代現(xiàn)有的白熾燈、日光燈作通用照明光源的序幕,引發(fā)照明工業(yè)的又一場革命。
目前,可用于批量生產(chǎn)半導(dǎo)體照明燈外延片的襯底材料僅有藍寶石和碳化硅材料。碳化硅材料具有與氮化鎵晶格失配小、熱導(dǎo)率高、器件尺寸小、抗靜電能力強、可靠性高等優(yōu)點,是氮化鎵系外延材料的理想襯底,由于其良好的熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱性能比藍寶石襯底高出10倍以上),解決了功率型氮化鎵LED器件的散熱問題,特別適合用于制備大功率的半導(dǎo)體照明用LED。使用碳化硅材料作為襯底的芯片電極為L型,兩個電極分布在器件的表面和底部,所產(chǎn)生的熱量可以通過電極直接導(dǎo)出；同時這種襯底不需要電流擴散層,因此光不會被電流擴散層的材料吸收,這樣既大大提高了出光效率,又能有效的降低能耗。
今年4月美國科銳公司在半導(dǎo)體碳化硅襯底上制作的白光功率型LED光效再度刷新行業(yè)最高紀錄,達到254流明每瓦。該項紀錄打破了美國科銳公司去年初取得的231流明每瓦的研發(fā)成果,再次彰顯了半導(dǎo)體碳化硅襯底在大功率LED方面的優(yōu)勢,目前市場上5瓦以上的白光LED均由半導(dǎo)體碳化硅襯底制備。
2008年北京奧運會期間建造的水立方場館照明即采用了496000顆碳化硅基大功率LED,獲得了國際最高照明設(shè)計大獎；鳥巢也是用250000顆碳化硅基大功率LED點亮。因國外壟斷,水立方和鳥巢的照明材料均從美國的科銳公司進口�，F(xiàn)在美國科銳公司推出了“LED城市照明計劃”,旨在以碳化硅材料作為襯底,面向全球推動和部署節(jié)能LED照明。建設(shè)綠色照明示范工程樹立起節(jié)能減排、環(huán)保先進的新形象,必將促進半導(dǎo)體碳化硅照明產(chǎn)業(yè)的進程,加快半導(dǎo)體碳化硅時代的到來。
環(huán)境保護、經(jīng)濟效益和實際應(yīng)用的需求是促進節(jié)能技術(shù)發(fā)展的三大因素。隨著節(jié)能需求逐步增加,半導(dǎo)體碳化硅材料生產(chǎn)不但要降低自身的能耗,還要擔負起降低系統(tǒng)能耗的重任。作為以研制、生產(chǎn)半導(dǎo)體晶體及襯底材料為主的高科技企業(yè),山東天岳公司在進一步擴大產(chǎn)業(yè)化規(guī)模,為下游產(chǎn)業(yè)提供高品質(zhì)半導(dǎo)體碳化硅材料的同時,也在不斷進行技術(shù)研發(fā),致力于提供完整的高能效解決方案。目前,山東天岳公司已開始涉及產(chǎn)業(yè)鏈中下游領(lǐng)域,加大研發(fā)人才隊伍的建設(shè),加快半導(dǎo)體碳化硅功率模塊的科研速度及力度,為未來的節(jié)能減排作出更大貢獻。
