寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金課題申報(bào)指南（2019年）

時(shí)間：2021/02/19    點(diǎn)擊量：344

一、 制定原則

為持續(xù)推動(dòng)寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新，服務(wù)于節(jié)能減排技術(shù)革命，從基礎(chǔ)研究、共性關(guān)鍵技術(shù)研究到重大工程技術(shù)應(yīng)用全鏈條布局，引領(lǐng)寬禁帶半導(dǎo)體電力電子技術(shù)進(jìn)步，落實(shí)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“開放、流動(dòng)、聯(lián)合、競(jìng)爭(zhēng)”的運(yùn)行要求，充分發(fā)揮國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室行業(yè)引領(lǐng)和推動(dòng)作用，支撐實(shí)驗(yàn)室研究工作，提升自主創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)科交叉和高水平學(xué)術(shù)交流，實(shí)驗(yàn)室發(fā)布2019年開放基金課題。

本基金指南的制定主要考慮以下原則：

（一）根據(jù)我國(guó)寬禁帶半導(dǎo)體電力電子技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略，著眼于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的當(dāng)前和長(zhǎng)遠(yuǎn)的需要，跟蹤國(guó)際學(xué)科發(fā)展前沿；

（二）鼓勵(lì)具有開拓性、超前性、創(chuàng)造性和較高層次的理論和技術(shù)的研究及具有重大應(yīng)用前景的項(xiàng)目；

（三）利于促進(jìn)多學(xué)科的交叉滲透和多部門的聯(lián)合攻關(guān)，有利于建立和發(fā)展國(guó)際合作的新格局，有利于人才的培養(yǎng)和學(xué)科的發(fā)展；

（四）鼓勵(lì)和支持從事寬禁帶半導(dǎo)體電力電子技術(shù)領(lǐng)域的青年科技工作者，尤其是青年教師、博士后及海外留學(xué)人員申請(qǐng)本實(shí)驗(yàn)室開放基金；

二、申請(qǐng)注意事項(xiàng)

1.申請(qǐng)者從www.cetc55.com網(wǎng)站下載《附件1.寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-2019年開放基金項(xiàng)目申報(bào)指南》、《附件2.寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-開放基金課題申請(qǐng)書模板》等表格。根據(jù)本指南要求填寫申請(qǐng)書，并經(jīng)所在單位簽署意見、加蓋公章。

2.申請(qǐng)書包括紙質(zhì)版（一式兩份）、電子版。紙質(zhì)版郵寄至：江蘇省南京市江寧區(qū)正方中路166號(hào)，郵編：211111，應(yīng)賢煒收，聯(lián)系電話：15951933361，同時(shí)發(fā)送電子版至：15951933361@163.com。紙質(zhì)版與電子版應(yīng)完全一致，二者缺一不可，否則視為無效申請(qǐng)。

3.申請(qǐng)受理的截止日期：2019年11月10日（郵寄申請(qǐng)書以投遞日郵戳為準(zhǔn)）。

4.原則上要求申請(qǐng)者與本實(shí)驗(yàn)室固定人員進(jìn)行合作研究。

5.申請(qǐng)人不具有高級(jí)職稱，還需填寫推薦意見（格式見附件）。在讀研究生、已離退休的科研人員和申請(qǐng)單位的兼職科研人員不得作為申請(qǐng)項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人提出申請(qǐng)，但可作為項(xiàng)目組成員參加研究

6.重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目研究周期一般為1-2年

7.項(xiàng)目獲得資助后，鼓勵(lì)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人來實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行訪問研究，在項(xiàng)目執(zhí)行期內(nèi)至少參加一次實(shí)驗(yàn)室組織的開放課題學(xué)術(shù)會(huì)議，匯報(bào)課題成果，交流研究心得。

三、資助研究項(xiàng)目

(一)GaN基電機(jī)驅(qū)動(dòng)器關(guān)鍵技術(shù)研究

1、研究背景

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化設(shè)備、航空航天、電動(dòng)汽車、家用電器等領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)水平的提高，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正向機(jī)電一體化、輕型化、高性能和高效等方向發(fā)展。受蓄電池技術(shù)的限制，電動(dòng)汽車中希望提高對(duì)電能的利用效率，以提升續(xù)航能力，同時(shí)盡可能在有限的空間內(nèi)為蓄電池預(yù)留更多安裝空間，這些都對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行效率、功率密度和高溫環(huán)境中工作可靠性提出了更高的要求。航空、航天對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率密度要求更加嚴(yán)格，并且對(duì)系統(tǒng)的耐高溫、抗輻射工作能力也有較高要求。工業(yè)、自動(dòng)化領(lǐng)域中，隨著機(jī)械加工智能化、精細(xì)化的發(fā)展，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器小型化、高精度提出了更高的要求。家用電器領(lǐng)域則希望電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有更低的噪聲、更高的功率密度和效率，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能耗、功率密度和動(dòng)態(tài)性能提出了更高的要求。

作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的重要組成部分，當(dāng)前的功率變換系統(tǒng)基本采用基于Si材料的功率器件，其導(dǎo)通電阻大、開關(guān)速度慢、開關(guān)損耗大、開關(guān)頻率低，很難兼顧高功率密度和高效率等需求。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件應(yīng)運(yùn)而生（SiC器件、GaN器件），其中GaN器件相較于Si器件具有更低的導(dǎo)通電阻、更快的開關(guān)速度、更高的開關(guān)頻率，更低的開關(guān)損耗，在中低壓場(chǎng)合具有非常廣闊的應(yīng)用前景。若將 GaN 功率器件應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，將能夠顯著降低系統(tǒng)體積、降低損耗、提升系統(tǒng)的功率密度，并降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和音頻噪聲。因此，基于 GaN 功率器件的高頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究，對(duì)電機(jī)控制性能的提升具有重要意義。

2、研究目標(biāo)

針對(duì)高效率、高功率密度、低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的研制要求，開展GaN基電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵技術(shù)研究。探索適合增強(qiáng)型GaN器件（eGaN HEMT）的驅(qū)動(dòng)要求以及驅(qū)動(dòng)挑戰(zhàn)，研究針對(duì)eGaN HEMT的高速可靠驅(qū)動(dòng)電路。從整機(jī)結(jié)構(gòu)和無源元件選型設(shè)計(jì)和放置角度出發(fā)，提高樣機(jī)的功率密度。優(yōu)化傳統(tǒng)逆變器布局結(jié)構(gòu)，盡可能減小回路寄生電感，提升逆變器整體性能。優(yōu)化設(shè)計(jì)高頻控制算法，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和控制精度，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，最終研制出高效率、高功率密度、高控制精度、低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的高頻GaN基電機(jī)驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)

3、研究?jī)?nèi)容

1）eGaN HEMT高速可靠驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

與Si器件相比，eGaN HEMT具有開關(guān)速度快，導(dǎo)通電阻小的優(yōu)勢(shì)。一般來說，提高功率器件的開關(guān)速度有利于減小開關(guān)損耗，但是隨之而來的高du/dt和di/dt使得eGaN HEMT的開關(guān)特性對(duì)寄生參數(shù)更為敏感，其開關(guān)過程中的電壓和電流尖峰也更為嚴(yán)重，再加上eGaN HEMT本身的柵源電壓范圍較窄，柵源閾值電壓較低，關(guān)斷過程誤導(dǎo)通問題也因此凸顯，所以需要合理優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路布局設(shè)計(jì)，盡可能減小驅(qū)動(dòng)電路的寄生參數(shù)，提高驅(qū)動(dòng)電路可靠性。其次，高速開關(guān)在橋臂電路中帶來的串?dāng)_問題也容易引起橋臂直通現(xiàn)象，因此合理設(shè)計(jì)輔助電路抑制橋臂串?dāng)_問題也尤為重要。

2）高頻控制策略研究

與Si器件相比，eGaN HEMT的開關(guān)頻率較高，可達(dá)MHz級(jí)別，同時(shí)其開關(guān)損耗較小，因此在同開關(guān)損耗的情況下，eGaN HEMT可工作在更高的開關(guān)頻率下。對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來說，提高功率器件開關(guān)頻率能夠提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率密度、提高控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，同時(shí)降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，減小電機(jī)工作噪聲。但是，高頻化也對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制策略提出了

更高的要求，現(xiàn)有控制器和控制策略還沒有經(jīng)過高頻化的控制驗(yàn)證，因此需要優(yōu)化現(xiàn)有控制策略使其滿足高頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制要求。

3）高功率密度設(shè)計(jì)

隨著電力電子行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)電力電子裝置的要求不斷提高，功率密度作為衡量電機(jī)驅(qū)動(dòng)器優(yōu)劣的重要指標(biāo)，也受到了更多的重視，尤其是電動(dòng)汽車和航空航天領(lǐng)域，由于空間和重量的限制，對(duì)功率密度提出了更高的要求。相較于Si器件而言，GaN器件的高開關(guān)頻率能夠減小電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中無源元件的體積，同時(shí)其耐高溫工作能力也可減小散熱系統(tǒng)的體積，因此使用GaN器件制作電機(jī)驅(qū)動(dòng)器能夠在一定程度上增大傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率密度，再通過整體布局和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可將GaN基電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率密度提高到較高的水平。

4、主要技術(shù)指標(biāo)

GaN基電機(jī)驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)：

1）交流輸入范圍：85VAC~265VAC

2）額定功率：1kW

3）功率密度：≥2.5kW/L

4）無位置控制方式啟動(dòng)時(shí)間：<3S

5）全功率范圍工作環(huán)境溫度：30℃~55℃

6）效率：>96%（額定電壓，滿載）

7）待機(jī)功耗：<0.8W

8）開關(guān)頻率：>50kHz

9）全范圍轉(zhuǎn)速下電流THD：<5%

5、進(jìn)度要求

18個(gè)月。

6、經(jīng)費(fèi)要求

建議不超過30萬。

7、成果形式

1）1kW GaN基電機(jī)驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)2套；

2）發(fā)表高水平論文2篇；

3）申請(qǐng)發(fā)明專利1項(xiàng)；

4）技術(shù)研究報(bào)告3份；

5）相關(guān)領(lǐng)域?qū)W術(shù)論著一部。

(二)具有過流保護(hù)功能的全GaN單片集成功率變換器關(guān)鍵技術(shù)

研究

1、研究背景

面對(duì)各種新興運(yùn)算應(yīng)用對(duì)高頻、高效、高功率且具有更多功能的功率變換器的要求與挑戰(zhàn)，GaN功率器件能夠有效地提升DC-DC變換器的工作頻率與效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率變換器的集成多功能化。常規(guī)的GaN分立型功率器件需要復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)芯片與外圍電路來實(shí)現(xiàn)高頻功率變換與過流保護(hù)等功能，然而其芯片與電路互連中帶來的寄生參數(shù)嚴(yán)重制約工作頻率與效率。通過在GaN襯底上單片集成功率器件與功能電路，能夠顯著降低功率變換器內(nèi)部寄生參數(shù)，實(shí)現(xiàn)具有集成雙邊驅(qū)動(dòng)和過流保護(hù)電路的全GaN單片集成功率變換器，為48V電壓等級(jí)降壓變換應(yīng)用提供具有過流保護(hù)的MHz級(jí)高頻、高效、高功率解決方案。

2、研究目標(biāo)

針對(duì)高頻、高效、高功率的GaN功率變換器研制要求，開展全GaN集成單片式功率變換器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)研究，探索GaN多功能集成設(shè)計(jì)方法。建立基于GaN功率晶體管工藝的集成電路設(shè)計(jì)方法，闡明器件結(jié)構(gòu)參數(shù)與電路功能間的作用關(guān)系，提出并實(shí)現(xiàn)具有新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的GaN雙邊驅(qū)動(dòng)與過流保護(hù)電路。開展硅基GaN襯底集成技術(shù)研究，建立低寄生參數(shù)互連關(guān)鍵工藝技術(shù)，提出MHz級(jí)高效單片功率變換器設(shè)計(jì)與集成方法。結(jié)合單片集成關(guān)鍵工藝技術(shù)，研制出具有過流保護(hù)功能的高頻、高效、高功率全GaN功率變換器樣品。

3、主要研究?jī)?nèi)容

1）GaN驅(qū)動(dòng)電路與過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)研究

針對(duì)GaN功率變換器對(duì)集成驅(qū)動(dòng)與保護(hù)功能的要求，研究GaN器件結(jié)構(gòu)參數(shù)與NMOS邏輯電路功能的關(guān)系，研究GaN雙邊驅(qū)動(dòng)與過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)技術(shù)，包括GaN雙邊驅(qū)動(dòng)電路的延時(shí)降低和輸出能力提升、過流保護(hù)電路的防誤觸發(fā)和保護(hù)速度提升等技術(shù)。

2）MHz級(jí)全GaN功率變換器設(shè)計(jì)與集成研究

針對(duì)MHz級(jí)高效單片功率變換器的需求，研究硅基GaN單片集成關(guān)鍵工藝技術(shù)，包括GaN高壓功率晶體管、低壓控制晶體管與二極管的低寄生參數(shù)集成技術(shù)，研究全GaN功率變換器設(shè)計(jì)方法與集成技術(shù)，研制具有過流保護(hù)功能的MHz級(jí)全GaN單片集成功率變換器。

4、技術(shù)指標(biāo)

全GaN單片集成功率變換器樣品：

1）輸入電壓48V，輸出電壓12V；

2）輸出功率≥5W；

3）工作頻率≥1MHz；

4）最大工作效率≥80%；

5）過流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間＜2μs。

5、進(jìn)度要求

24個(gè)月。

6、經(jīng)費(fèi)要求

建議不超過30萬元。

7、成果形式

1）全GaN單片集成功率變換器樣品；

2）發(fā)表高水平論文5篇，其中SCI/EI論文3篇；

3）申請(qǐng)發(fā)明專利2項(xiàng)；

4）技術(shù)研究報(bào)告2份。

(三)耐高溫SiC集成電路關(guān)鍵技術(shù)研究

1、研究背景

在航空航天，石油鉆探，火力發(fā)電，核能，冶金，化工等高溫惡劣的工況下，基于傳統(tǒng)硅材料的半導(dǎo)體器件已經(jīng)無法正常工作。為了解決此問題，需要使用SiC材料制作耐高溫的集成電路作為信號(hào)處理芯片，提高耐高溫系統(tǒng)的集成度，降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

現(xiàn)在使用SiC材料制作的集成電路主要使用BJT和JFET器件，由于器件自身的限制，其性能和功能復(fù)雜程度都受到很大的限制。若能制作CMOS集成電路，首先相比于使用BJT和JFET器件，其靜態(tài)功耗可以大大降低，另外還可以將硅基電路中的研究設(shè)計(jì)方法推廣至SiC基CMOS電路中，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜更高級(jí)的電路功能。

2、研究目標(biāo)

本項(xiàng)目擬開展基于碳化硅材料的 CMOS 高溫集成電路器件和關(guān)鍵工藝的研究。主要包括了對(duì)高溫下SiC MOSFET 的退化機(jī)制進(jìn)行研究闡明，對(duì)可能的退化機(jī)制進(jìn)行理論預(yù)測(cè)和研究。研究碳化硅集成電路的高溫金屬工藝，開展低退火溫度形成高質(zhì)量歐姆接觸的機(jī)理和工藝研究。實(shí)現(xiàn)能夠正常工作在500℃以上的集成電路芯片。為SiC材料更加高效的應(yīng)用在高溫作業(yè)環(huán)境中提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

3、研究?jī)?nèi)容

1）SiC場(chǎng)效應(yīng)管在高溫環(huán)境下的退化機(jī)理研究

深入研究高溫下 N 型溝道和 P 型溝道 MOSFET 的退化機(jī)制，針對(duì)退化機(jī)制進(jìn)行器件結(jié)構(gòu)和制造工藝上的優(yōu)化改進(jìn)，提出針對(duì)高溫應(yīng)用的 SiC CMOS 器件結(jié)構(gòu)和集成電路的制造工藝方案。

對(duì)半導(dǎo)體器件而言，當(dāng)器件的產(chǎn)生功率等于相應(yīng)條件下的耗散功率時(shí)，器件達(dá)到熱平衡狀態(tài)。器件只有處在穩(wěn)定的平衡點(diǎn)時(shí)，才能可靠的工作，一旦跳到非穩(wěn)定平衡點(diǎn)，器件則極有可能發(fā)生熱失效。 當(dāng)環(huán)境溫度升高至500℃以上時(shí)，無論是N型溝道還是P型溝道的MOSFET 都會(huì)因?yàn)榄h(huán)境高溫而無法及時(shí)耗散掉所產(chǎn)生的熱量，無法達(dá)到熱平衡的工作狀態(tài)。熱量的積累會(huì)引起載流子遷移率下降，歐姆接觸的比接觸電阻升高，從而導(dǎo)致器件的導(dǎo)通電流嚴(yán)重退化。另外，當(dāng)環(huán)境溫度升高后， CMOS 器件的閾值電壓也會(huì)隨之變化，需要通過理論分析和仿真來確定工作電壓，以保證 SiC CMOS 器件有足夠大的工作電流。此外，通過仿真分析得到器件在高溫環(huán)境下的熱失效機(jī)理，對(duì)器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化，使器件能夠更好的在高溫環(huán)境中工作。

2）耐高溫金半接觸工藝技術(shù)研究

通常 SiC 材料上的歐姆接觸通常采用 Al、Ni、Ti 等金屬，但當(dāng)工作溫度升高至 500℃以上時(shí)，這些金屬會(huì)發(fā)生相變，降低歐姆接觸的比接觸電阻，甚至?xí)懽優(yōu)樾ぬ鼗佑|，使場(chǎng)效應(yīng)晶體管無法正常工作。因此需要對(duì)高溫下 P 型和 N 型 SiC 材料上歐姆接觸的形成機(jī)理和工作機(jī)理進(jìn)行研究，以得到能夠長(zhǎng)時(shí)間在高溫下保持低的比接觸電阻的歐姆接觸。國(guó)內(nèi)外對(duì) SiC 材料上的歐姆接觸研究較多，但針對(duì)高溫應(yīng)用的報(bào)道則比較有限。如何選擇合適的金屬及工藝形成所需要?dú)W姆接觸，并且分析歐姆接觸形成過程中的機(jī)理則是本項(xiàng)目的重點(diǎn)之一。

深入研究高溫下碳化硅材料上的金屬工藝，選用適用于高溫環(huán)境的金屬結(jié)構(gòu)，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)低溫退火條件下歐姆接觸形成機(jī)理進(jìn)行研究， 并提出相應(yīng)的金屬工藝， 保證 SiC 材料上的歐姆接觸和金屬互聯(lián)等金屬工藝能在高溫條件下具有高可靠性和高性能。

3）耐高溫碳化硅差動(dòng)放大器研究

差動(dòng)放大器是最重要的電路發(fā)明之一，由于差動(dòng)放大具有很多有用的特性，所以它已經(jīng)成為當(dāng)代高性能模擬電路和混合信號(hào)電路的主要選擇。差動(dòng)工件與單端工作相比，一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)在于它對(duì)環(huán)境噪聲具有更強(qiáng)的抗干擾能力。差動(dòng)信號(hào)的另一個(gè)有用的特性是增大了可得到的最大電壓擺幅。差動(dòng)電路的優(yōu)勢(shì)還包括偏置電路更簡(jiǎn)單和更高的線性度。研究差動(dòng)輸入和共模輸入發(fā)生變化時(shí)電路的大信號(hào)特性是有益的。

4、技術(shù)指標(biāo)

1）制備出能夠穩(wěn)定工作在 500℃以上，比接觸電阻<10-5?.cm2 量級(jí)的耐高溫歐姆接觸；

2）實(shí)現(xiàn)能夠正常工作在 500℃以上的SiC差動(dòng)放大器電路，工作電源電壓范圍在8V~30V，全溫區(qū)最大差分增益≥6db，最大共模增益≥6db；500℃時(shí)，差分增益≥2db，共模增益≥2db。

5、進(jìn)度要求

18個(gè)月。

6、經(jīng)費(fèi)要求

建議不超過30萬.

7、成果形式

1）SiC CMOS集成電路樣品。

2）發(fā)表高水平論文2篇。

3）申請(qǐng)發(fā)明專利2項(xiàng)。

4）技術(shù)研究報(bào)告3份。