先进半导体在能源互联网构建中的发展机遇

2021-10-29刘谨华程海雨李擎赵有泽

新材料产业 2021年5期

刘谨华程海雨李擎赵有泽

纵观人类发展历史，每一次工业革命都离不开能源类型和使用方法的革新。第3次科技革命，以原子能和信息技术等发明和应用为主，随着社会的不断发展，基于互联网理念构建的信息能源融合广域网概念被提出。在能源短缺与全球变暖的大背景下，能源互联网作为一个能源共享、绿色环保的技术，成为未来世界各国争夺的新的技术领域之一。

能源互联网，是以电力系统为核心，以互联网及其他前沿信息技术为基础，以分布式可再生能源为主要一次能源，与天然气网络、交通网络等其他系统紧密耦合而形成的复杂多网流系统[1]。能源互联网以互联网云端服务为指挥中心，将电力系统作为各能源的转换枢纽，将多个系统紧密耦合形成复杂的能源与信息网络（图1）。

能源互联网作为一个能源与信息结合的系统，具有开放、互联、分布式、对等、共享等理念，以及具有以下特征[2]：能够支持多类型能源的互联，提高能源综合使用效率；能够支持可再生能源的接入和消纳；支持能量自由传输和用户广泛接入的互联网架构；支持集中与分布相结合的结构等特征。可以看到，能源互联网不是单纯的互联网与能源的相加，而是互联网、智能电网与可再生能源三者的结合，智能电网作为能源互联网的核心，同时接入可再生能源，利用互联网高效传输的优势最大限度的对能源进行配置，实现能源向清洁、低碳、环保转型。

智能网络是能源互联网的关键技术支持。能源互联网在信息通讯方面，需要多样信息的实时接入能力，高速稳定的数据传送能力，高效的数据处理能力，智能的数据分析与决策能力，以及强大的信息安全保障[3]。基于半导体材料开发而成的芯片是互联网强大的算力核心，随着能源互联网的发展与推广，芯片产品的市场需求将会进一步增大，对半导体材料的自身性能与制造能力提出了更高的要求。

作为电子世界的基石、现代电子世界的核心器件，半导体材料的基本特性决定了器件的基本物理特性。对于单晶硅、锗构成的半导体在著名的摩尔定律下发展越来越接近其物理极限，一个个技术瓶颈使得一代半导体开发速度降低。与此同时，先进的半导体材料也相继被提出，从第1代的硅（Si）锗，到第2代的砷化镓、锑化铟等，以及现在的第3代半导体，碳化硅（SiC）与氮化镓。相比于第1代半导体，第3代半导体具有禁带宽度更宽、电子漂移饱和速率更高、绝缘击穿场强更高、热导率更高等优势，适用于高温、高频、高压、高功率器件。基于上述先进半导体材料所制造的硬件设备也具有上述优点，这在需要大量数据传送，能量转换的能源互联网中有着良好的发展前景。

1 第3代半导体材料研究现状

随着硅材料电力电子设备的不断优化，性能已经接近Si材料的物理极限，而第3代半导体的应用使得功率器件的性能有着飞跃性的提升。从1992年美国北卡州立大学功率半导体研究中心[4]在全世界首次研制成功阻断电压，描述了SiC肖特基势垒二极管的制作及其特性后，在世界各地范围内，已经有许多科研工作者在衬底、外延片、器件设计制造等方面展开研究。

苏州维特莱恩公司与俄罗斯LETI法创始人Tairov及其团队[5]采用电阻法加热方式，研制出4英寸和6英寸SiC单晶生长技术。研究结果表明，晶体最大直径为160mm、等径厚度达25～35mm、微管密度≤2cm2/个、基面位错密度≤1 200cm2/个、电阻率0.01～0.035Ω·cm，晶体利用率高达85%。采用电阻法加热能够有效避免晶体生长过程中多型、层错缺陷增殖的出现，更加适合6英寸以上的SiC晶体的制备。4英寸和6英寸SiC晶体实际测量如图2、图3所示。

中国科学院半导体研究所刘兴昉[6]等人通过外延生长的方法在4H—SiC衬底上制备了P+/P/N—外延薄膜。相比于注入法，具有参杂精度高、阱区几何尺寸的优势。

南京电子器件研究所刘涛等人[7]利用仿真优化了常开型高压4H—SiC JFET的器件结构，自主研发3000V10A4H—SiC结型场效应晶体管，完成的SiC JFET器件如图4所示。测试表明当栅极电压偏置VG=-6V时，JFET样管阻断电压达到3000V，泄露电流低于100μA；当栅极电压偏置为7V，漏电压VD=3V时，正向电流达到10A以上，对应的电流密度为100A/cm2。

新能源电力系统国家重点实验室彭娇阳等人[8]针对的SiC MOSFET短路栅源极失效的判定方法做了相应的研究（图5），在对比传统的基于uGS的传统栅源极短路判定方法具有延迟较高，以及波形中断时uGS的上升程度不明显容易误判的缺点。于是彭娇阳等人提出了基于IGSS的栅源极的失效判定方法。通过设定短路冲击强度，利用在短路冲击下，MOSFET栅极电介质层发生的特殊变化导致器件的性能变化，最终导致SiC MOSFET的IGSS的参数增大，以此为基础判断器件的栅源极失效。

广东美的制冷设备有限公司冯宇翔[9]对比研究了全SiC智能功率模块、半SiC智能功率模块以及Si智能功率模块之间的功耗数据，对比得出全SiC智能功率模块功耗低于半SiC智能功率模块低于全Si智能功率模块。模块设计与实验数据如表1、图6所示。

2 第3代半导体材料在能源互联网中优势

2.1 第3代半导体的材料特性

在能源互联网的构建中，绿色环保与高效率的能源交换是能源互联网被提出的主要特征之一。在大量的能量双向流动中，需要通过智能芯片的不断调控完成能量的流动过程。假如从材料层面上思考每一个智能功率器件都具有较低的能耗，在能源互联网的体量下，节省的能源量是可观的。

而由传统Si材料制成的半导体智能芯片在不断的革新中逐渐趋近于其物理极限10]。以SiC为例，作为宽禁带材料，具有Si材料3倍的禁带宽度，10倍以上的临界电场强度，3倍以上的导热率，2倍以上的电子饱和漂移速率[11]。由于SiC、GaN等第3代半導体具有更宽的禁带，处于价带的电子不容易跃迁至导带，使得SiC与GaN能够在高温、高压中正常工作。在以光伏发电、风力发电、以及新能源汽车等高功率的情景下，能够节省较多的电能，增加能源转换效率。以第3代半导体为基础材料构建的器件则具有在高温下的良好转换特性与工作能力，具有更少的能量损耗、更宽的频率适应能力等优势[12，13]。

2.2 第3代半导体的材料适用领域 GaN的优势领域在1 000V以下的高频领域中，而SiC的优势领域集中在1 200V高压、高温下的高压电领域[14]。在智能电网的建设中，应用SiC作为半导体材料能够降低60%的电力损耗、提高40%的供电效率。对于太阳能发电、新能源汽车等领域也有可观的能源利用率的增加。其对能源互联网的构建具有重要作用。

2.3 第3代半导体生产技术成熟

第3代半导体在生产方面已经有了基本的生产方法与技术[15]。在SiC晶体生产方面有物理气相传输法、高温化学气相沉积和液相法等；在衬底方面有注入法与电阻法加热方式；在外延方面有化学气相淀积、液相外延、分子束外延以及升华外延等。对于氮化镓来说，其主要的制备方法为异质外延制备的方法。

3 结语

以碳化硅、氮化镓为代表的第3代半导体具有较好的功率特性，更加适用于频繁且大量的能量交换过程。随着时间的发展，对第3代半导体研究的加进，第3代半导体的制备技术逐步向着工业化发展，使得材料的制备方面更加成熟。除此之外，在智能电网的研究推进下，半导体构成的设备也有了相应的发展，更多基于第3代半导体开发的设备也不断被推出。

随着我国的工业实力不断增强，经济水平不断提高，基建设施不断完善，对新的能源利用方式提出了更前沿的要求。在新基建的带领下，5G通信技术、新能源汽车桩以及智能电网的建设等方面都需要先进半导体材料的支持[16]。因此，先进半导体在能源互联网的构建中，起到了代替传统硅材料，增加能量交换效率的关键作用，具有很好的发展前景。

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

参考文献

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[3] 王继业，郭经红，曹军威，等.能源互联网信息通信关键技术综述[J].智能电网，2015，3（6）：473—485.

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[6] 刘兴昉，闫果果，桑玲，等.P型阶梯掺杂4H-SiC多层薄膜同质外延生长研究[J].智能电网，2017，5（8）：752—756.

[7] 刘涛，陈刚，黄润华，等.3000V 10A 4H-SiC结型场效应晶体管的设计与制造[J].固体电子学研究与进展，2016，36（3）：187—190.

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[9] 冯宇翔.全SiC/半SiC智能功率模块功耗研究[J].家电科技，2020（4）：92—94.

[10] 陈尧，赵富强，朱炳先，等.国内外碳化硅功率器件发展综述[J].车辆与动力技术，2020（1）：49—54.