前沿成果 | 功率器件制造与性能优化技术5大成果推荐！ 145期

栏目介绍：我们汇聚了国内外大量的优质成果库资源，均可转化交易，本期精选了5大功率器件制造与性能优化技术成果。如果你对本文提到的技术成果感兴趣，欢迎与企知道联系。

成果目录：
1.氧化镓功率半导体晶圆关键技术产业化
2.绿色、高效AlN单晶衬底的制备工艺研究
3.高压大功率IGBT模块动态测试仪器
4.高频小功率静电感应晶体管
5.电子产品热管理技术

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1. 氧化镓功率半导体晶圆关键技术产业化

随着材料外延和器件制备技术的发展，Ga2O3功率器件在低频、超高压功率电子器件方面将逐步取代SiC和GaN材料。日本Yano研究所市场报告预测，2025年Ga2O3晶圆衬底将部分替代SiC、GaN材料，市场规模可达到2600亿日元，市场容量并随着功率电子的发展呈现井喷式和跨越式发展。但目前国内氧化镓材料在同样价格下，晶格质量、掺杂浓度可控性、迁移率等指标上难以与国外产品竞争，绝大部分依赖进口，且价格极高，成为了目前亟待解决的“卡脖子”问题。其次，目前氧化镓单晶价格高、热导率差，这会导致器件产生热击穿等问题，造成器件失效。

针对上述问题，本团队致力于高质量、低成本氧化镓外延材料制备，并努力解决材料导热问题。首先通过自研氧化物半导体材料生长设备(Mist-CVD)，降低材料制备成本；将生长的材料进行处理、剥离后与导热率高的衬底进行异质集成，提升材料导热性；在此基础上，团队研制出性能处于国际领先水平的二极管功率器件，并在国际上首次将氧化镓器件进行系统级应用验证，探索其在功率器件方面的应用前景。

应用领域和市场前景：

本项目产品在市场竞争方面具有技术优势、产品性能优势和价格优势。国际权威期刊Joule发表的前瞻性论文表示，6英寸Ga2O3衬底的价格将是SiC的20%左右。本项目提出的氧化镓/蓝宝石复合衬底具有更好导热特性，为大功率电子的散热问题提供了解决方案，而且其价格可在6英寸Ga2O3单晶衬底基础上使得成本进一步降低至60%。本项目的成功实施将进一步推动产品化和规模化生产，优化产品良率，降低工艺成本，其价格将会更具竞争力，有望成为功率电子器件和深紫外光电器件所需的具有最优性价比的重要衬底材料。

技术成熟度：已有样品

成果来源：南京大学

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2. 绿色、高效AlN单晶衬底的制备工艺研究

本研究采用金属氮化物气相外延（MNVPE）法外延生长AlN单晶衬底，其采用氮气与铝蒸汽直接反应沉积生成AlN单晶材料，由于反应过程中无NH3和HCl等腐蚀性气体，除了依旧保留有HVPE法相对较快的生长速率外，还具有对环境友好、成本低等优点。MNVPE法由于发现的时间较短，故研究此方法的人相对较少，其生长机制以及工艺参数仍有很大的完善空间。到目前为止，还发现了此制备方法外延生长的AlN单晶衬底的XRD摇摆曲线的（002）面与（102）面的半高宽几乎相同，这一特性使得晶体质量进一步提升成为可能，这是其它制备方法所不具备的。

市场前景：

氮化铝（AlN）作为新一代的宽禁带半导体，在深紫外LED、紫外探测芯片、紫外激光、5G射频前端滤波器、国防军工、航空航天等方面拥有广泛的应用前景。

目前国内无专门做AlN制备设备及配套工艺的公司。项目目前已通过自主研发等掌握了全部生产技术，生产出的产品已经得到市场检验，项目可在济南快速落地转化，并可快速实现AlN制备设备的量产，从而满足市场对AlN单晶衬底的巨大需求，填补国内空白，打造AlN制备设备及配套工艺的源头。

技术成熟度：通过小试阶段

成果来源：河北工业大学

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3. 高压大功率IGBT模块动态测试仪器

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）其本质上是一种可控高压、大功率电子开关，其开关特性对器件损耗、绝缘、功率密度、电磁兼容、散热等都具有重要的影响，因此开关特性是器件一个重要的指标。随着我国新能源技术、高压直流输电、高压变频、交流传动机车、动车组、城市轨道交通、电动汽车等技术的发展，电力行业对IGBT的需求非常旺盛，但目前国内绝大部分的功率半导体仍依赖进口，缺乏核心技术严重阻碍着我国新兴节能产业的发展。在器件测试领域，其相关仪器或设备主要以国外厂商为主，技术垄断，价格昂贵（几十万-几百万美元不等），严重制约国内规模化生产和测试。目前国际上有瑞士LEMSYS公司、意大利CREA公司、日本TESEC公司等能够生产高压大功率IGBT动态特性测试设备。目前，国内外对于高压大功率SiC,Si型IGBT器件动态性能缺乏有参考价值的系统研究工作。

本团队研制成功的该测试系统具有如下特点：

（1）能够测试高压大功率SiC,Si型IGBT器件动态特性；

（2）具有通用性和易于扩展性；

（3）能实时计算开关损耗结果；

（4）高可靠性。

技术成熟度：实验室阶段

成果来源：西华大学

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4. 高频小功率静电感应晶体管

静电感应晶体管（SIT）的电学行为类似于以往常用的电子三极管，是目前已知的唯一具有不饱和电流-电压特性的半导体器件。简单地理解，SIT是固态化的电子三极管，即在半导体芯片内实现了电子三极管的优越性能。因此，SIT用于电子系统中，可取代传统的电子管，既能保持优越性能，又能使系统的体积大为减小，便于实现微型化和智能化，在低压电子系统或高压电力系统都有广泛的应用。

就器件特性和应用而言，这是一种单极性的电压控制型器件，具有噪声低、频率高、抗热击穿、功率处理能力强等一系列优点，可广泛用于高频低噪声放大（低压小功率电子系统）和逆变斩波（中大功率电力系统）。

目前自主创新研发的小功率（125V/100mA）SIT，工作频率可达20MHz，电压放大因子高达65，跨导高达325mS，泄露电流低至1A量级；可用于低噪声音频Hi-Fi前置放大、mp4/TV等便携式视听设备的音频放大、汽车电子/空调等功率波动较大场合的功率逆变和控制等。此项成果已达到批量生产能力。可根据应用需求设计、研发不同规格的器件。

技术成熟度：可以量产阶段

成果来源：兰州大学

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5. 电子产品热管理技术

建立了射流冲击冷却、喷射/相变耦合冷却、喷雾冷却、相变蓄冷温控、小型毛细泵回路（CPL、LHP、低温LHP）、小型平板热管、热致变色可变发射率智能热控、MEMS百叶窗等系统热管理方法，发展了超高热流密度条件下系统热管理理论与技术。

研制的泡沫金属相变储能热控装置的导热性能比原装置提高30倍，获国防发明专利，已提交航天509所用于卫星热控制的技术储备。

研制的小型CPL／LHP具有启动迅速、运行稳定、调节能力强、控温精确、传热能力高等优点，正在与电子14所、华为公司合作，用于电子器件的散热。研制的泵驱动喷射/相变耦合冷却装置散热热流密度可达400W/cm2（工质流量0.7L/min/cm2，换热表面温度控制在25℃以下）。为九院十所研制的大功率固体激光器紧凑式多筒细管静态制冰蓄冷温控系统（体积仅为2.5m3），可在3600s之内储存180kW的冷量，且在100s时间范围内连续提供15℃至30℃的冷却水（冷却水温可任意调节，温控精度为±1℃），大大降低了大功率激光器温控系统的体积、重量和功耗等指标，已成功应用到十所大功率激光器研制实验中。

技术成熟度：实验室阶段

成果来源：南京理工大学

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