1、1,国内外碳化硅电力电子进展,IC-CHINA 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
2、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
3、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
4、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
5、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/cm2，已经大于衬底的缺陷密度，成为瓶颈。预计外延很快有大
6、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,国外：
7、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、GTOGE: VDMOS, 模拟集成电路Semisouth：JFET、JBS日本Rohm：MOSFETMitsubishi：MOSFETAIST：MOSFETHitachi: JFETDENSO：JBSKEPCO：模块欧洲Infineon ：JBS, JFETBosch：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
8、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
9、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22mcm2，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
10、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
11、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,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
12、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,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。 CH
13、1: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%
14、过电压），提高了模块的可靠性。,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
15、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。,
