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        先進半導體在能源互聯網構建中的發展機遇

        職稱驛站所屬分類:電子技術論文發布時間:2021-11-04 09:00:56瀏覽:1

         縱觀人類發展歷史,每一次工業革命都離不開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等發明和應用為主,隨著社會的不斷發展,基于互聯網理念構建的信息能源融合廣域網概念被提出。在能源短缺與全球變暖的大背景下,能源互聯網作為一個能源共享、綠色環保的技術,成為未來世界各國爭奪的新的技術領域之一。

           縱觀人類發展歷史,每一次工業革命都離不開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等發明和應用為主,隨著社會的不斷發展,基于互聯網理念構建的信息能源融合廣域網概念被提出。在能源短缺與全球變暖的大背景下,能源互聯網作為一個能源共享、綠色環保的技術,成為未來世界各國爭奪的新的技術領域之一。

        半導體技術

          《半導體技術》(ISSN 1003-353X、CN13-1109/TN、CODEN BAJIFJ)是國家新聞出版廣電總局批準公開發行、中國電子科技集團公司主管、中國電子科技集團公司第十三研究所主辦的科技期刊。

          能源互聯網,是以電力系統為核心,以互聯網及其他前沿信息技術為基礎,以分布式可再生能源為主要一次能源,與天然氣網絡、交通網絡等其他系統緊密耦合而形成的復雜多網流系統[1]。能源互聯網以互聯網云端服務為指揮中心,將電力系統作為各能源的轉換樞紐,將多個系統緊密耦合形成復雜的能源與信息網絡(圖1)。

          能源互聯網作為一個能源與信息結合的系統,具有開放、互聯、分布式、對等、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,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網架構;支持集中與分布相結合的結構等特征?梢钥吹,能源互聯網不是單純的互聯網與能源的相加,而是互聯網、智能電網與可再生能源三者的結合,智能電網作為能源互聯網的核心,同時接入可再生能源,利用互聯網高效傳輸的優勢最大限度的對能源進行配置,實現能源向清潔、低碳、環保轉型。

          智能網絡是能源互聯網的關鍵技術支持。能源互聯網在信息通訊方面,需要多樣信息的實時接入能力,高速穩定的數據傳送能力,高效的數據處理能力,智能的數據分析與決策能力,以及強大的信息安全保障[3];诎雽w材料開發而成的芯片是互聯網強大的算力核心,隨著能源互聯網的發展與推廣,芯片產品的市場需求將會進一步增大,對半導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、現代電子世界的核心器件,半導體材料的基本特性決定了器件的基本物理特性。對于單晶硅、鍺構成的半導體在著名的摩爾定律下發展越來越接近其物理極限,一個個技術瓶頸使得一代半導體開發速度降低。與此同時,先進的半導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,以及現在的第3代半導體,碳化硅(SiC)與氮化鎵。相比于第1代半導體,第3代半導體具有禁帶寬度更寬、電子漂移飽和速率更高、絕緣擊穿場強更高、熱導率更高等優勢,適用于高溫、高頻、高壓、高功率器件;谏鲜鱿冗M半導體材料所制造的硬件設備也具有上述優點,這在需要大量數據傳送,能量轉換的能源互聯網中有著良好的發展前景。

          1 第3代半導體材料研究現狀

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

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

          中國科學院半導體研究所劉興昉[6]等人通過外延生長的方法在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、阱區幾何尺寸的優勢。

          南京電子器件研究所劉濤等人[7]利用仿真優化了常開型高壓4H—SiC JFET的器件結構,自主研發3000V10A4H—SiC結型場效應晶體管,完成的SiC JFET器件如圖4所示。測試表明當柵極電壓偏置VG=-6V時,JFET樣管阻斷電壓達到3000V,泄露電流低于100μA;當柵極電壓偏置為7V,漏電壓VD=3V時,正向電流達到10A以上,對應的電流密度為100A/cm2。

          新能源電力系統國家重點實驗室彭嬌陽等人[8]針對的SiC MOSFET短路柵源極失效的判定方法做了相應的研究(圖5),在對比傳統的基于uGS的傳統柵源極短路判定方法具有延遲較高,以及波形中斷時uGS的上升程度不明顯容易誤判的缺點。于是彭嬌陽等人提出了基于IGSS的柵源極的失效判定方法。通過設定短路沖擊強度,利用在短路沖擊下,MOSFET柵極電介質層發生的特殊變化導致器件的性能變化,最終導致SiC MOSFET的IGSS的參數增大,以此為基礎判斷器件的柵源極失效。

          廣東美的制冷設備有限公司馮宇翔[9]對比研究了全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據,對比得出全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。模塊設計與實驗數據如表1、圖6所示。

          2 第3代半導體材料在能源互聯網中優勢

          2.1 第3代半導體的材料特性

          在能源互聯網的構建中,綠色環保與高效率的能源交換是能源互聯網被提出的主要特征之一。在大量的能量雙向流動中,需要通過智能芯片的不斷調控完成能量的流動過程。假如從材料層面上思考每一個智能功率器件都具有較低的能耗,在能源互聯網的體量下,節省的能源量是可觀的。

          而由傳統Si材料制成的半導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倍以上的臨界電場強度,3倍以上的導熱率,2倍以上的電子飽和漂移速率[11]。由于SiC、GaN等第3代半導體具有更寬的禁帶,處于價帶的電子不容易躍遷至導帶,使得SiC與GaN能夠在高溫、高壓中正常工作。在以光伏發電、風力發電、以及新能源汽車等高功率的情景下,能夠節省較多的電能,增加能源轉換效率。以第3代半導體為基礎材料構建的器件則具有在高溫下的良好轉換特性與工作能力,具有更少的能量損耗、更寬的頻率適應能力等優勢[12,13]。

          2.2 第3代半導體的材料適用領域 GaN的優勢領域在1 000V以下的高頻領域中,而SiC的優勢領域集中在1 200V高壓、高溫下的高壓電領域[14]。在智能電網的建設中,應用SiC作為半導體材料能夠降低60%的電力損耗、提高40%的供電效率。對于太陽能發電、新能源汽車等領域也有可觀的能源利用率的增加。其對能源互聯網的構建具有重要作用。

          2.3 第3代半導體生產技術成熟

          第3代半導體在生產方面已經有了基本的生產方法與技術[15]。在SiC晶體生產方面有物理氣相傳輸法、高溫化學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;在外延方面有化學氣相淀積、液相外延、分子束外延以及升華外延等。對于氮化鎵來說,其主要的制備方法為異質外延制備的方法。

          3 結語

          以碳化硅、氮化鎵為代表的第3代半導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程。隨著時間的發展,對第3代半導體研究的加進,第3代半導體的制備技術逐步向著工業化發展,使得材料的制備方面更加成熟。除此之外,在智能電網的研究推進下,半導體構成的設備也有了相應的發展,更多基于第3代半導體開發的設備也不斷被推出。

          隨著我國的工業實力不斷增強,經濟水平不斷提高,基建設施不斷完善,對新的能源利用方式提出了更前沿的要求。在新基建的帶領下,5G通信技術、新能源汽車樁以及智能電網的建設等方面都需要先進半導體材料的支持[16]。因此,先進半導體在能源互聯網的構建中,起到了代替傳統硅材料,增加能量交換效率的關鍵作用,具有很好的發展前景。

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

          參考文獻

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        《先進半導體在能源互聯網構建中的發展機遇》

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