1、1國內外碳化硅電力電子進展IC-CHINA 2010CETC第五十五研究所 李宇柱2010年10月23日2一、碳化硅的市場二、國外技術進展三、我國發展狀況四、發展建議內容提要3碳化硅相比于硅的優勢與硅相比，碳化硅（4H-SiC）具有：10倍以上的臨界電場強度 3倍禁帶寬度3倍的熱導率 工作于更高的溫度和輻射環境更高的系統效率（損耗降低1/2）芯片面積1/5工作頻率高， 10kV器件20kHz單個器件更高的電壓（20kV以上）可減小體積和重量：減少或免除水冷，免除笨重的50Hz變壓器。4600V-1200V 的碳化硅器件節能，高頻的SiC二極管，目前用于高效電源（包括LED TV的電源）、太陽能

2、逆變器。 等開關器件量產之后，將引領另一波增長，比如混合電動汽車可可以取消一路制冷，省油10%。比如5kW的 inverter，比硅系統小7倍，輕8倍，節能20%（同時滿足）,非常適合在空間飛行器、飛機上的應用。51700V-6500V的碳化硅器件比如風力發電、電力機車。 2020年歐洲風能增加6倍，每個5兆瓦的風力發電機需要160兆瓦的電力電子器件，市場巨大。在這種更高電壓，更大功率的應用中，碳化硅器件節能，高頻優勢更加明顯。Cree已經推出1700V，25A二極管產品。 。6高于10kV的碳化硅器件10kV的存取電系統：未來電網有更多的分布式新能源（太陽能，風能。），需要儲存電能。降壓，儲

3、存，升壓這一個來回，SiC可以節能10%，并且去除笨重的60hz變壓器。HVDC：中國西電東輸。挪威的海上石油平臺，歐洲海上風電場需要長距離高壓輸電。需要20kV或更高電壓的碳化硅器件。7低電壓市場爆發增長，高壓器件將陸續出貨1.第一波市場是肖特基二極管：2008銷售額達2300萬美元，2010年已達1億美元。（2010財政年度,2010年7月為止）。去年Cree 二極管銷售增長120%。2005年以來平均68%的年增長率。2.器件價格不斷下降。從2007年到2010年， Cree的碳化硅二極管價格降了3倍。這是通過三方面的措施實現的：增大晶圓、提高材料質量和工藝水平、擴大規模。Cree于07

4、年，英飛凌于08年轉為4寸生產線。為了進一步降低器件成本，Cree在2010年歐洲碳化硅會議上發布6英寸襯底, 一年后量產。同樣的外延爐，6寸比4寸增加50%的有效面積。3. 英飛凌在2010年歐洲碳化硅會議上宣布，2011年量產碳化硅開關器件（JFET）。這將引領更大的市場增長。4.Cree已經推出1700V 二極管。市場拓展到馬達驅動領域。8材料的來源和質量2009年的統計，英飛凌和Cree每月各需要1500片4寸片。 Cree的4寸導電襯底基本被Cree和英飛凌瓜分，少量被意法半導體等拿到。大市場和壟斷、高利潤不可能并存，市場有巨大的擴產、降價和增大晶圓的壓力。今年更多的供應商開始提供4

5、英寸高質量襯底。比如II-VI半年內產能擴大到3倍，5年內襯底產量增到9倍（絕大部分來自電力電子襯底）。 II-VI公司準備明年發布6英寸。Dow Corning 大踏步進入襯底和外延市場。預計5年后，健全的6英寸產業鏈將打開白色家電的市場。3. 材料的質量： 材料供應商面臨很大的壓力提供零微管襯底。這是大電流器件必需的條件。 現在不僅Cree，II-VI，DowCorning已經具有零微管技術。 現在研究的熱點是降低外延的缺陷：目前最好的外延缺陷水平0.7/cm2，已經大于襯底的缺陷密度，成為瓶頸。預計外延很快有大幅度的改良。東京電子2010年歐洲碳化硅會議上發布了碳化硅外延設備：6x6英寸

6、。 9節能減排的大背景2005年全世界碳排放28萬億噸，如果不采取措施，2050年會達到65萬億噸。采取積極措施之后，可以降到14 萬億噸，最重要的措施是：1.新能源：可以降低21%的碳排放。2.節省用電：高效用電技術可以減少24%的碳排放。碳化硅電力電子在以上兩方面都有重要應用。10節能方面比LED更有潛力因為照明（包括LED），只占20%的電能應用。80%的電能用于馬達、電源。盡管Cree目前85%的利潤來自LED。Cree公司宣稱絕不放棄電力電子市場。11 國外碳化硅器件研究狀況12肖特基二極管（SBD、JBS）開關 雙極型二極管 IGBTSiC電力電子器件整流器PIN單極晶體管雙極晶體

7、管MOSFETJFETBJT,GTO國外：多種器件系統研發，其中低功率SBD已經產品化。目前重點開發的器件類型：13美國 Cree: MOSFET、BJT、JBS、GTO GE: VDMOS, 模擬集成電路 Semisouth：JFET、JBS 日本 Rohm：MOSFET Mitsubishi：MOSFET AIST：MOSFET Hitachi: JFET DENSO：JBS KEPCO：模塊歐洲 Infineon ：JBS, JFET Bosch：模擬集成電路碳化硅器件開發機構列舉14碳化硅單極器件15美國Cree和德國英飛凌等多家公司能夠提供碳化硅 SBD的系列產品，其中反向耐壓有60

8、0V，1200V，1700V多個系列，正向電流最高達50A。目前國外已經淘汰了2英寸碳化硅晶圓，目前主流是3英寸。英飛凌、Cree已經開始采用4英寸生產線。英飛凌2005年開始推出第二代碳化硅SBD：JBS二極管。碳化硅肖特基二極管產業發展16碳化硅MOSFET：研發階段日本Rohm公司在3英寸晶圓上制作的1200V/20A MOSFET， 碳化硅MOSFET和SBD組成的IPM模塊。17碳化硅高壓肖特基二極管Cree 10kV 20A SiC 模塊Cree在3英寸晶圓上制作的10kV/20A 肖特基 二極管。芯片面積達到 15mm x 11mm。18碳化硅高壓MOSFETCree在3英寸晶圓

9、上制作的10kV/20A MOSFET。芯片面積超過 8mm x 8mm。19碳化硅雙極器件雙極型碳化硅器件是高功率器件的未來，碳化硅可以實現20kV以上的二極管、晶閘管、IGBT。目前已經有零微管4英寸單晶技術和超過200um的厚外延技術。瓶頸是外延質量。20碳化硅PIN二極管Cree在2英寸晶圓上制作的20kV/10A PIN 二極管21碳化硅IGBTCree公司報告了一個碳化硅n溝道IGBT，其特征電阻22mcm2，反向抵抗13kV。其特征電阻比13kV碳化硅單極器件低了大概10倍！展示了碳化硅材料提供高功率的潛力。但是碳化硅IGBT的技術難度很大。22碳化硅GTO2009年Cree公司

10、報告了一個大面積碳化硅GTO， N型襯底。23碳化硅GTOCree公司的9kV GTO，單芯片電流400A24碳化硅GTO 20kV器件。提高少子壽命和減少BPD缺陷至關重要，是目前外延技術研究的熱點。25碳化硅高溫集成電路26GE：NMOS OPAMP，室溫增益=60dB，300 增益=57.9dB 。地熱發電，發動機燃燒控制。Bosch：NMOS， 汽車尾氣探測，400 。NASA：JFET集成電路，500 ,4k小時可靠性測試。現在正在空間站運行。Raytheon：CMOS碳化硅集成電路研究取得進展2710kV以下的器件會陸續上市場。20kV的器件方面，外延材料是研究熱點。集成電路開始成

11、為研究熱點。耐高溫和高壓器件的封裝測試問題開始受到重視。國外發展總結2855所的碳化硅工作29外延生長的10微米外延薄膜表面原子力圖像. 30器件600V-30A31因為電力電子器件工作時自發熱較多，額定工作結溫一般在125。 所以室溫測試對于電力電子器件來說意義不大，所有測試都是在結溫125下進行。 和硅二極管對比。硅二極管是國際整流器公司的600V-30A超快二極管：IRGP30B60KD。碳化硅二極管是我們的600V-30A SiC JBS。應用：續流二極管對IGBT模塊的影響32續流二極管對IGBT模塊的影響IGBT的開通特性：左圖硅二極管，右圖碳化硅二極管。減少了IGBT電流尖峰，減

12、少了EMC。測試條件：VCC=400V;IC=35A;Rg=27;Tj=125.CH1:IC=15A/div;CH2:VCC=100V/div;timebase=200ns/divIGBT開通33續流二極管對IGBT模塊的影響IGBT開通參數單位Si-diodeSiC SBD條件VCC=400V;IC=35A;VGE=15V;Rg=27,感性負載Tj=125 td(on)ns7070trns5050E(on)mJ1.00.7IpeakA8460IGBT 開通特性比較34續流二極管對IGBT模塊的影響IGBT開通在不同電流下，和兩種二極管配對的IGBT開通能耗比較。 35續流二極管對IGBT模塊

13、的影響IGBT的關斷特性：左圖硅二極管，右圖碳化硅二極管。基本沒有差別。測試條件：VCC=400V;IC=35A;Rg=27;Tj=125。 CH1:IC=10A/div;CH2:VCC=100V/div;timebase=200ns/divIGBT關斷36續流二極管對IGBT模塊的影響二極管的反向恢復特性：左圖硅二極管，右圖碳化硅二極管。測試條件：VCC=400V;IF=-35A;Rg=27;Tj=125 CH1:IC=15A/div;CH2:VCC=200V/div;timebase=100ns/div二極管反向恢復37續流二極管對IGBT模塊的影響35A下，二極管反向恢復特性比較。另外，

14、碳化硅二極管的軟度比硅二極管高，所以電壓尖峰從560V下降到440V，過電壓從160V（40%過電壓）下降為40V（10%過電壓），提高了模塊的可靠性。 參數單位Si-diodeSiC-JBS減小比例條件VCC=400V;IF=35A; Rg=27,感性負載Tj=125IrrA401465trrns1266251QrruC3.30.390ErecmJ0.70.0790%二極管反向恢復38續流二極管對IGBT模塊的影響在不同電流下，兩種二極管反向恢復能耗比較。 二極管反向恢復39續流二極管對IGBT模塊的影響35A電流下，兩種600V IGBT模塊動態能耗比較。和國外產品報道相當（參見Cree公

15、司產品介紹）。 模塊動態總能耗40需要解決的問題兩種600V 二極管正向特性比較。SiC芯片面積 受到目前工藝所限，因此SiC二極管正向壓降較大。41國內的碳化硅現狀國內對碳化硅很熟悉：各個大學普遍都有國外公司送的碳化硅器件樣品。國內有電源廠家用碳化硅肖特基二極管。42碳化硅產業鏈健全，核心技術落后國內產業鏈比較健全，基礎技術（單晶，外延和器件）離國外有很大距離。單晶：天科合達，46所，神舟，硅酸鹽所外延：中科院，西電，13所，55所器件：西電，13所，55所，南車封裝： 13所，55所，南車電路應用：清華，浙大，南航，海軍工程大學用戶：國網，南車（筆者信息有限，如有遺漏，特此致歉）43未受到重視研究處于小規模和分散狀態。至今還沒有上馬針對碳化硅電力電子的國家科研項目。今年海軍工程大學和國家電網先后組織過碳化硅研討會，碳化硅逐漸擴大影響。根據國外的發展速度來看，我們現在如不下決心投入，會失去機會。44國內發展建議： （1）盡快提高二極管器件的性能，形成小批量生產和送樣能力。（2）盡快實現開關器件和高壓器件的突破。要趕在國外6英