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单击此处编辑母版标题样式,中国电子科技集团公司,55,所,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,1,国内外碳化硅电力电子进展,IC-C,HINA,2010,CETC,第五十五研究所 李宇柱,2010,年,10,月,23,日,2,一、碳化硅的市场,二、国外技术进展,三、我国发展状况,四、发展建议,内容提要,3,碳化硅相比于硅的优势,与硅相比，碳化硅（,4H-SiC,）具有：,10,倍以上的临界电场强度,3,倍禁带宽度,3,倍的热导率,工作于更高的温度和辐射环境,更高的系统效率（损耗降低1/2）,芯片面积,1/5,工作频率高，,10kV,器件,20kHz,单个器件更高的电压（,20kV,以上）,可减小体积和重量：减少或免除水冷，免除笨重的,50Hz,变压器。,4,600V-1200V,的碳化硅器件,节能，高频的,SiC,二极管，目前用于高效电源（包括,LED TV,的电源）、太阳能逆变器。,等开关器件量产之后，将引领另一波增长，比如混合电动汽车可可以取消一路制冷，省油,10%,。比如,5kW,的,inverter,，比硅系统小,7,倍，轻,8,倍，节能,20%,（同时满足）,非常适合在空间飞行器、飞机上的应用。,5,1700V-6500V,的碳化硅器件,比如风力发电、电力机车。,2020,年欧洲风能增加,6,倍，每个,5,兆瓦的风力发电机需要,160,兆瓦的电力电子器件，市场巨大。在这种更高电压，更大功率的应用中，碳化硅器件节能，高频优势更加明显。,Cree,已经推出,1700V,，,25A,二极管产品。 。,6,高于,10kV,的碳化硅器件,10kV,的存取电系统：未来电网有更多的分布式新能源（太阳能，风能。），需要储存电能。降压，储存，升压这一个来回，,SiC,可以节能,10%,，并且去除笨重的,60hz,变压器。,HVDC,：中国西电东输。挪威的海上石油平台，欧洲海上风电场需要长距离高压输电。需要,20kV,或更高电压的碳化硅器件。,7,低电压市场爆发增长，高压器件将陆续出货,1.,第一波市场是肖特基二极管：,2008,销售额达,2300,万美元，,2010,年已达,1,亿美元。（,2010,财政年度,2010,年,7,月为止）。去年,Cree,二极管销售增长,120%,。,2005,年以来平均,68%,的年增长率。,2.,器件价格不断下降。从,2007,年到,2010,年，,Cree,的碳化硅二极管价格降了,3,倍。这是通过三方面的措施实现的：增大晶圆、提高材料质量和工艺水平、扩大规模。,Cree,于,07,年，英飞凌于,08,年转为,4,寸生产线。为了进一步降低器件成本，,Cree,在,2010,年欧洲碳化硅会议上发布,6,英寸衬底,一年后量产。同样的外延炉，,6,寸比,4,寸增加,50%,的有效面积。,3.,英飞凌在,2010,年欧洲碳化硅会议上宣布，,2011,年量产碳化硅开关器件（,JFET,）。这将引领更大的市场增长。,4.Cree,已经推出,1700V,二极管。市场拓展到马达驱动领域。,8,材料的来源和质量,2009,年的统计，英飞凌和,Cree,每月各需要,1500,片,4,寸片。,Cree,的,4,寸导电衬底基本被,Cree,和英飞凌瓜分，少量被意法半导体等拿到。,大市场和垄断、高利润不可能并存，市场有巨大的扩产、降价和增大晶圆的压力。今年更多的供应商开始提供,4,英寸高质量衬底。比如,II-VI,半年内产能扩大到,3,倍，,5,年内衬底产量增到,9,倍（绝大部分来自电力电子衬底）。,II-VI,公司准备明年发布,6,英寸。,Dow Corning,大踏步进入衬底和外延市场。预计,5,年后，健全的,6,英寸产业链将打开白色家电的市场。,3.,材料的质量：,材料供应商面临很大的压力提供零微管衬底。这是大电流器件必需的条件。 现在不仅,Cree,，,II-VI,，,DowCorning,已经具有零微管技术。,现在研究的热点是降低外延的缺陷：目前最好的外延缺陷水平,0.7/cm,2,，已经大于衬底的缺陷密度，成为瓶颈。预计外延很快有大幅度的改良。东京电子,2010,年欧洲碳化硅会议上发布了碳化硅外延设备：,6x6,英寸。,9,节能减排的大背景,2005,年全世界碳排放,28,万亿吨，如果不采取措施，,2050,年会达到,65,万亿吨。采取积极措施之后，可以降到,14,万亿吨，最重要的措施是：,1.,新能源：可以降低,21%,的碳排放。,2.,节省用电：高效用电技术可以减少,24%,的碳排放。,碳化硅电力电子在以上两方面都有重要应用。,10,节能方面比,LED,更有潜力,因为照明（包括,LED,），只占,20%,的电能应用。,80%,的电能用于马达、电源。尽管,Cree,目前,85%,的利润来自,LED,。,Cree,公司宣称绝不放弃电力电子市场。,11,国外碳化硅器件研究状况,12,肖特基二极管（,SBD,、,JBS,）,开关,双极型二极管,IGBT,SiC,电力电子器件,整流器,PIN,单极晶体管,双极晶体管,MOSFET,JFET,BJT,GTO,国外：多种器件系统研发，其中低功率,SBD,已经产品化。,目前重点开发的器件类型：,13,美国,Cree,: MOSFET,、,BJT,、,JBS,、,GTO,GE,: VDMOS,模拟集成电路,Semisouth,：,JFET,、,JBS,日本,Rohm,：,MOSFET,Mitsubishi,：,MOSFET,AIST,：,MOSFET,Hitachi,: JFET,DENSO,：,JBS,KEPCO,：模块,欧洲,Infineon,：,JBS, JFET,Bosch,：模拟集成电路,碳化硅器件开发机构列举,14,碳化硅单极器件,15,美国,Cree,和德国英飞凌等多家公司能够提供碳化硅,SBD,的系列产品，其中反向耐压有,600V,，,1200V,，,1700V,多个系列，正向电流最高达,50A,。,目前国外已经淘汰了,2,英寸碳化硅晶圆，目前主流是,3,英寸。英飞凌、,Cree,已经开始采用,4,英寸生产线。,英飞凌,2005,年开始推出第二代碳化硅,SBD,：,JBS,二极管。,碳化硅肖特基二极管产业发展,16,碳化硅,MOSFET,：研发阶段,日本,Rohm,公司在,3,英寸晶圆上制作的,1200V/20A MOSFET,， 碳化硅,MOSFET,和,SBD,组成的,IPM,模块。,17,碳化硅高压肖特基二极管,Cree 10kV 20A SiC,模块,Cree,在,3,英寸晶圆上制作的,10kV/20A,肖特基 二极管。芯片面积达到,15mm x 11mm,。,18,碳化硅高压,MOSFET,Cree,在,3,英寸晶圆上制作的,10kV/20A MOSFET,。芯片面积超过,8mm x 8mm,。,19,碳化硅双极器件,双极型碳化硅器件是高功率器件的未来，碳化硅可以实现,20kV,以上的二极管、晶闸管、,IGBT,。目前已经有零微管,4,英寸单晶技术和超过,200um,的厚外延技术。瓶颈是外延质量。,20,碳化硅,PIN,二极管,Cree,在,2,英寸晶圆上制作的,20kV/10A PIN,二极管,21,碳化硅,IGBT,Cree,公司报告了一个碳化硅,n,沟道,IGBT,，其特征电阻,22mcm,2,，反向抵抗,13kV,。其特征电阻比,13kV,碳化硅单极器件低了大概,10,倍！展示了碳化硅材料提供高功率的潜力。但是碳化硅,IGBT,的技术难度很大。,22,碳化硅,GTO,2009,年,Cree,公司报告了一个大面积碳化硅,GTO,，,N,型衬底。,23,碳化硅,GTO,Cree,公司的,9kV GTO,，单芯片电流,400A,24,碳化硅,GTO,20kV,器件。提高少子寿命和减少,BPD,缺陷至关重要，是目前外延技术研究的热点。,25,碳化硅高温集成电路,26,GE,：,NMOS OPAMP,，室温增益,=60dB,，,300 ,增益,=57.9dB,。地热发电，发动机燃烧控制。,Bosch,：,NMOS,， 汽车尾气探测，,400 ,。,NASA,：,JFET,集成电路，,500 ,4k,小时可靠性测试。现在正在空间站运行。,Raytheon,：,CMOS,碳化硅集成电路研究取得进展,27,10kV,以下的器件会陆续上市场。,20kV,的器件方面，外延材料是研究热点。,集成电路开始成为研究热点。,耐高温和高压器件的封装测试问题开始受到重视。,国外发展总结,28,55,所的碳化硅工作,29,外延,生长的,10,微米外延薄膜表面原子力图像,.,30,器件,600V-30A,31,因为电力电子器件工作时自发热较多，额定工作结温一般在,125,。 所以室温测试对于电力电子器件来说意义不大，所有测试都是在结温,125,下进行。,和硅二极管对比。硅二极管是国际整流器公司的,600V-30A,超快二极管：,IRGP30B60KD,。碳化硅二极管是我们的,600V-30A SiC JBS,。,应用：续流二极管对,IGBT,模块的影响,32,续流二极管对,IGBT,模块的影响,IGBT,的开通特性：左图硅二极管，右图碳化硅二极管。,减少了,IGBT,电流尖峰，减少了,EMC,。,测试条件：,VCC=400V;IC=35A;Rg=27;Tj=125.CH1:IC=15A/div;CH2:VCC=100V/div;timebase=200ns/div,IGBT,开通,33,续流二极管对,IGBT,模块的影响,IGBT,开通,参数,单位,Si-diode,SiC SBD,条件,VCC=400V;IC=35A;VGE=15V;Rg=27,感性负载,Tj=125,td(on),ns,70,70,tr,ns,50,50,E(on),mJ,1.0,0.7,Ipeak,A,84,60,IGBT,开通特性比较,34,续流二极管对,IGBT,模块的影响,IGBT,开通,在不同电流下，和两种二极管配对的,IGBT,开通能耗比较。,35,续流二极管对,IGBT,模块的影响,IGBT,的关断特性：左图硅二极管，右图碳化硅二极管。基本没有差别。,测试条件：,VCC=400V;IC=35A;Rg=27;Tj=125,。,CH1:IC=10A/div;CH2:VCC=100V/div;timebase=200ns/div,IGBT,关断,36,续流二极管对,IGBT,模块的影响,二极管的反向恢复特性：左图硅二极管，右图碳化硅二极管。,测试条件：,VCC=400V;IF=-35A;Rg=27;Tj=125 CH1:IC=15A/div;CH2:VCC=200V/div;timebase=100ns/div,二极管反向恢复,37,续流二极管对,IGBT,模块的影响,35A,下，二极管反向恢复特性比较。另外，碳化硅二极管的软度,比硅二极管高，所以电压尖峰从,560V,下降到,440V,，过电压从,160V,（,40%,过电压）下降为,40V,（,10%,过电压），提高了模块的可靠性。,参数,单位,Si-diode,SiC-JBS,减小比例,条件,VCC=400V;IF=35A; Rg=27,感性负载,Tj=125,Irr,A,40,14,65,trr,ns,126,62,51,Qrr,uC,3.3,0.3,90,Erec,mJ,0.7,0.07,90%,二极管反向恢复,38,续流二极管对,IGBT,模块的影响,在不同电流下，两种二极管反向恢复能耗比较。,二极管反向恢复,39,续流二极管对,IGBT,模块的影响,35A,电流下，两种,600V IGBT,模块动态能耗比较。,和国外产品报道相当（参见,Cree,公司产品介绍）。,模块动态总能耗,40,需要解决的问题,两种,600V,二极管正向特性比较。,SiC,芯片面积 受到目前工艺所限，因此,SiC,二极管正向压降较大。,41,国内的碳化硅现状,国内对碳化硅很熟悉：各个大学普遍都有国外公司送的碳化硅器件样品。国内有电源厂家用碳化硅肖特基二极管。,42,碳化硅产业链健全，核心技术落后,国内产业链比较健全，基础技术（单晶，外延和器件）离国外有很大距离。,单晶：天科合达，,46,所，神舟，硅酸盐所,外延：中科院，西电，,13,所，,55,所,器件：西电，,13,所，,55,所，南车,封装：,13,所，,55,所，南车,电路应用：清华，浙大，南航，海军工程大学,用户：国网，南车,（笔者信息有限，如有遗漏，特此致歉）,43,未受到重视,研究处于小规模和分散状态。至今还没有上马针对碳化硅电力电子的国家科研项目。,今年海军工程大学和国家电网先后组织过碳化硅研讨会，碳化硅逐渐扩大影响。,根据国外的发展速度来看，我们现在如不下决心投入，会失去机会。,44,国内发展建议：,（,1,）,尽快提高二极管器件的性能，形成小批量生产和送样能力。（,2,）尽快实现开关器件和高压器件的突破。要赶在国外,6,英寸大规模生产之前（,23,年）完成技术积累。,国外是通过国家项目支持，然后快速产业化。我们需要国家投入，需要产学研的合作，需要材料、器件和封装产业链的合作。,45,李宇柱，男（汉族），,1975,年生，,1999,年,9,月毕 业于北京清华大学电子系微电子专业，获学士学位。,2008,年,1,月毕业于美国,Rutgers,大学电子系微电子专业，获博士学位，读博士期间研究内容为碳化硅电力电子器件工艺开发。,2008,年起在南京电子器件研究所单片集成电路和模块重点实验室工作，主要从事碳化硅电力电子器件设计和工艺技术的研究。,
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