技术成果

1kHz调制型直流高压电源

针对托卡马克装置辅助加热系统大功率速调管和回旋管等负载的工作需求， 研制调制型直流高压电源系统，具备长脉冲和调制运行能力、高性能参数和快速 保护特性等，满足辅助加热系统要求的各项静态和暂态指标。采用新型宽禁带器 件及电路方案，研究先进控制策略，解决高压输出边沿响应与快速性的矛盾，实 现1kHz高频调制直流电压的目标。本项目的研制工作，将为大功率速调管、回 旋管和离子源等负载提供配套调制型直流高压电源，满足其测试和运行的各类复 杂工况。

超宽禁带半导体氧化镓单晶

复杂碳化硅构件激光选区烧结增材制造技术及产业化

微波技术合成碳化硅和碳化钛粉体材料

多孔碳化硅陶瓷的制备技术

碳化硅及其复合材料的无压烧结制备技术

面向 5G 通信基站用氮化镓基射频器件项目

5G 要求更高的数据传输速率，发射机的效率会出现指数级的下 降。这种下降可以使用包络跟踪技术来修复，该技术已经在较新的 4G/LTE 基站以及蜂窝电话中采用。基站中的包络跟踪需要高速，高 功率和高电压，这些只有使用 GaN 技术才能实现。诸如 GaN 助力运 营商和基站 OEM 等实现了 5Gsub-6-GHz 和 mmWave 大规模 MIMO 的目标。 GaN可以说为5Gsub-6-GHz大规模MIMO基站应用提供了众多 优势：1、在 3.5GHz 及以上频率下表现良好，对比其他产品优势明显。 2、GaN 的特性能转化为高输出功率，宽带宽和高效率。采用 DohertyPA 配置的 GaN 在 100W 输出功率下的平均效率达到 50%至 60%，明显降低了发射功耗。3、在高频和宽带宽下的效率意味着大规 模 MIMO 系统可以更紧凑。4、可在较高的工作温度下可靠运行，这 — 49 — 意味着它可以使用更小的散热器。 根据 Strategy Analytics 的数据，预计 5G 移动连接将从 2019 年 的 500 万增长到 2023 年的近 6 亿。所以需求还将不断上涨。 Efficient Power Conversion 的首席执行官兼联合创始人 Alex Lidow 讨论 5G 时也说道：“基站中的包络跟踪需要高速，高功率和高 电压，这些只有使用 GaN 技术才能实现。根据 Yole Development 公 司发布的 2018 年度报告数据显示，随着全球整体数据流量的激增， 我国 5G 产业将迎来大规模的需求增长。预计到 2022 年，我国 5G 基 站规模将达到千亿市场，5G 基站数量将达百万个。所以未来氮化镓 基射频器件是 5G 通信基站收发端的核心。 氮化镓基射频器件是华为和中兴发展 5G 通信产业的核心器件， 西安电子科技大学氮化镓射频器件研究团队自

中高压 SiC 大功率器件研制及产业化

本项目主要针对1200V等级系列SiC高压大功率器件芯片技术展 开研究。碳化硅（SiC）为代表的宽禁带半导体大功率电力电子器件 是目前在电力电子领域发展最快的功率半导体器件之一，已经成为增 长潜力巨大的战略性产业 （三）关键技术 本项目主要研究内容：主要实现 1200V 系列产品典型系列产品 的产业转化。目标产品为 SiC 器件产品。主要包括 650V 系列产品、 1200V 系列产品。重点开拓领域包括新能源汽车领域充电桩、工业电 机与消费电子领域。本项目产品为 SiC 器件产品。主要包括 650V 系 列产品、1200V 系列产品。重点开拓领域包括新能源汽车领域、工业 电机与消费电子领域。 （1）650V 系列产品 — 35 — 国内白色家电市场巨大，白色家电广泛需要 PFC 模块，这就给 SiC 器件在低压范围内的应用创造了良好的条件。当前，相关企业已 着手在自己的 IPM 模块中导入 SiC 器件，用以提升自家产品的散热性 能。 团队具备成熟的器件设计及制备技术，对于 650V 系列产品有着 深厚的技术功底与产品经验。 （2）1200V 系列产品 未来 5 到 10 年内汽车领域的 SiC 应用最具发展前景。若在主逆 变器中采用 SiC，则 2019~2023 年期间的市场复合年均增长率将达到 108%。 团队具备成熟的技术工艺，对于不同领域的碳化硅器件制备及应 用，主要工作在于针对其特定要求，在核心技术基础上进行调试和定 型，不存在实质技术性障碍。出于市场方面的考虑，中期将聚焦于新 能源汽车应用市场，并根据产业化进程逐步向工业电机、充电桩等具 备成熟可观市场前景的领域拓展。 技术成熟度： □概念验证 □原理样机 □工程样机 □中试 产业化 合作方式： □联合研发 □技术入股 □转让 □授权（许可） 面议 — 36 —

高效、低成本 AlSiC 基板生产的关键技术与应用

铝碳化硅类金属基复合材料具有高比刚度、比强度、膨胀系数小等优点，该 材料具有优良的散热能力和摩擦磨损性能，可制造大功率 LED、IGBT等功率器 件散热基板、刹车片/盘等，在航空、航天、交通、电子及新能源等领域具有潜 在的重要应用价值。在国际上，关键技术掌握在美国，英国等国际大厂手中，一 般采用真空热压、真空压力浸渗等方法制备该类材料，制备工艺复杂，导致生产 效率低下、成本高昂，限制了其推广应用。在国内，主要处于实验室产品或小批 量试用阶段；同时由于金属基复合材料机械加工性差，很难采用目前工业最常用 的车、铣、刨等加工手段，而且焊接性也极差，进一步限制了其在工业上的应用。 本项目经过 10年的探索，突破传统的粉末冶金工艺，研制了快速热压设备，实 现了铝碳化硅复合材料在大气条件下低压、快速热压成型，对碳化硅含量在 70% 以内的铝碳化硅材料致密达到或超过 98%。由于该技术避免了目前国内外制备技 术中的真空工艺环节并采用快速加热和控制热压技术，使关键的热压工序的生产 效率大大提高，同时由于低压成型使得在相同压力设备条件下生产效率可以十倍 甚至更高，使生产成本大幅度降低，并可以通过大批量生产，使规模生产成本进 一步降低。因而，该技术适合大规模工业生产，而且产品价格可以随着生产规模 的提高大幅度下降，从而不但适用于高端的工业产品，也适用于广大的中低端工 业产品市场。该技术为金属基复合材料的一种粉末冶金生产工艺，适合陶瓷含量 一般在 70%及以下任意含量的产品，尤其适合对强度要求不是太高的功能型产 品，比如高导热、低膨胀的铝碳化硅基板、IGBT散热板、刹车片/盘等。

高效磁场耦合增强等离子加工技术

在大型强激光光学系统以及激光武器系统中，需要大量中大口径脆硬光学元 件。例如：蓝宝石、碳化硅等高脆硬光学材料，其加工精度要求高、韧性低，加 工过程中极易产生破碎和裂纹，加工难度极大，一直是制约我国高功率强激光装 置发展的瓶颈。 在国家重点研发计划政府间重点专项的支持下，西安工业大学与白俄罗斯共 和国国立无线电电子大学共同开展“高径厚比脆性光学元件磁场耦合增强等离子 加工技术研究”合作研究。项目以颠覆性的思路，创造性地将等离子体抛光技术 与现有的磁控溅射镀膜技术相结合，利用白俄罗斯国立信息与无线电电子大学在 磁控等离子体溅射阴极源设计方面的技术积累，研制出了磁场耦合射频等离子体 抛光样机，突破了现有等离子体光学加工的局限性，使得该技术在光学元件的加 工尺寸、加工对象和加工效率等方面能力获得极大地提升。 该款样机利用磁控溅射方式的磁场耦合增强等离子体加工技术，以运动磁场 驱动高密度等离子体区定向移动，“以线及面”，以“空间”换取“时间”，属于 一种新的等离子体刻蚀技术。该技术成功实现了蓝宝石光学元件高效、低损伤保 形加工，并结合磁流变抛光技术和离子束修形抛光技术，构建了分级复合的一体 化制造工艺。 本成果所提出的增强磁场耦合等离子体抛光加工方法，适宜于碳化硅、蓝宝 石等高脆硬光学材料的加工，克服了现有真空等离子体加工尺寸小的缺点，可以 高效率地实现中大口径光学元件损伤层的快速去除，降低光学元件损耗，这对高 精度成像系统成像质量的提高，高功率激光系统中激光传输能力提升都具有重要 的意义，也为创成以等离子体加工技术和离子束加工技术为核心的柔性抛光工艺 新流程奠定了基础。

RPS 微波等离子刻蚀系统及工艺技术

本项目开发了远端自由基等离子体的真空刻蚀系统和硅基光学元件加工工 艺技术和方法，有效地提高了中大口径光学元件损伤层快速去除等离子体加工工 艺技术，并在硅基半导体加工方面展开了应用。 在大型强激光光学系统以及激光武器系统中，需要大量中大口径脆硬光学元 件。例如：蓝宝石、碳化硅等高脆硬光学材料，其加工精度要求高、韧性低，加 工过程中极易产生破碎和裂纹，加工难度极大，一直是制约我国高功率强激光装 置发展的瓶颈。 等离子体刻蚀技术被认为是可能高效率去除硅基脆硬光学元件损伤层最有 效的方法，具体工程实践中，真空等离子抛光技术，大气等离子体加工技术等在 对元件表面和亚表面缺陷层消除方面，具有极高的工作效率。但前者受到电极尺 寸影响，无法实现大尺寸加工，后者则存在严重的温度效应，本成果基于自由基 远端等离子源技术，利用自由基等离子体实现硅基光学材料和半导体材料高效、 低温、大面积去除。 针对光学系统中光学元件损伤层去除问题、半导体器件加工中元器件微刻 蚀，本成果采用德国远端等离子体技术，将等离子体放电产生等离子体与含氟活 性气体作用，使后者激发活化，基于等离子体密度控制手段，产生大量自由基， 在真空气体流导作用下，可实现 300mm均匀刻蚀，由于自由基等离子体中实际 等离子体密度非常低，可以保证在刻蚀过程中无物理溅射，无温升，确保不产生 新的损伤和热伤害，可以用光学平板显示、光电微器件制造、光学制造等方面。

SiC 漂移阶跃恢复二极管开关

SiC漂移阶跃恢复二极管开关（DSRD）是一种半导体开关二极管，一般应用于超宽谱(ultra wide band，简称uwb)脉冲系统，是脉冲功率器件的核心。它具有纳秒级甚至皮秒级的开关时间，具有高效率、高稳定性、重量轻、结构简单等优点，因此在超快脉冲信号源中起到至关重要的作用，因此在高功率微波、超快激光及超快开关领域具有广泛的应用前景。

大尺寸 SiC 蜂窝陶瓷蓄热体制备技术

SiC陶瓷具有较高的热导率，高温强度高、抗侵蚀和抗氧化能力强，抗热震性良好，作为蓄热体材料性能优势显著。但目前SiC蜂窝陶瓷存在工艺成本高、大尺寸产品成型及烧结难度大等问题，限制了其应用。针对上述问题，本项目从原料组分、成型及烧结等方面进行系统研究与优化，成功开发出了高性能、低成本的大尺寸SiC蜂窝陶瓷蓄热体。

石墨烯快速制备技术

石墨烯可以视为单层石墨结构，其独特的二维结构及其优良导电性使其在微电子、半导体、电池以及防腐涂层中得到应用。目前石墨烯生产方法主要有机械剥离法，化学气相沉积法，电辅助氧化法和氧化还原法。表1里列举了这几种方法的优缺点。表1 石墨烯各生产方式优缺点对比生产方式优点缺点石墨烯品质较高，操作获得的石墨烯尺寸不稳定，无法实现量机械剥离法简单，成本低廉产。操作相对简单，石墨烯可以大面积生长，得到高温工艺，成本高；只能达到平方厘米化学气相沉积法的石墨烯较为完整，质的量级，难以满足石墨烯的工业化应用量较好难以控制石墨烯生长层数；石墨烯较难电辅助氧化法生产设备简单从 SiC 基板上转移；使用强氧化剂，有害气体产生。石墨烯在生产过程易发生不可逆转的团简单易行的工艺成、高聚；氧化还原的过程中，电子结构及晶氧化还原法效且成本较低体的完整性易被破坏，难以生产高品质产品；生产废液造成环境污染。本团队开发的石墨烯采用气氛-电弧法，可以实现石墨烯的快速制备。相比于传统石墨烯制备方法，它具有如下优势： 1）生产效率极高。氧化法制备石墨烯耗时约 3-7 天电弧法可在几分钟到十几分钟内完成，效率是普通方法的400多倍。 2）可实现自动化。电弧法制备石墨烯属于纯物理法，从填料，抽气，放电，到收集，整个过程都可以用设置程序完成，实现自动化。 3）清洁，无污染。传统的化学氧化法要大量使用浓硫酸，磷酸，高锰酸钾，硝酸盐等，制备过程中会造成空气污染和水污染，工人的操作环境差。而电弧法在密闭的腔室中完成，而且不会产生污染物。 4）材料纯度高。物理电弧法不会引入杂质对石墨烯造成污染，而且电弧放电是持续稳定的，因此，石墨烯的纯度高，均一性好。电弧法制备的石墨烯形貌如图1 所示，石墨烯为小尺寸片状形貌，透射电镜（图1c，d）显示石墨烯为1-7层不等的碳原子层组成。图1 石墨烯形貌表征