陳碩翼1,張麗1,唐明生2,李建福3
(1.科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心;2.中國科學院理化技術(shù)研究所;3.北京鑒衡認證中心有限公司)
以碳化硅為代表的第三代寬禁帶半導體,可在更高溫度、電壓及頻率環(huán)境正常工作,同時消耗電力更少,持久性和可靠性更強,將為下一代更小體積、更快速度、更低成本、更高效率的電力電子產(chǎn)品提供飛躍的機遇。本文對碳化硅電力電子器件技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢進行了梳理,并提出了我國進一步發(fā)展重點和對策建議。
目前電網(wǎng)技術(shù)正向智能化發(fā)展,碳化硅電力電子器件技術(shù)的進步及產(chǎn)業(yè)化,將在高壓電力系統(tǒng)開辟全新應(yīng)用,對電力系統(tǒng)變革產(chǎn)生深遠影響。碳化硅電力電子器件優(yōu)異的高效、高壓、高溫和高頻特性,使其在家用電器、電機節(jié)能、電動汽車、智能電網(wǎng)、航天航空、石油勘探、自動化、雷達與通信等領(lǐng)域有很大應(yīng)用潛力。
一、關(guān)于碳化硅電力電子器件
1. 定義
電力電子器件(Power Electronic Device)又稱為功率半導體器件,主要指用于電力設(shè)備電能變換和控制電路方面的大功率電子器件。碳化硅(SiC)電力電子器件是指采用第三代半導體材料SiC制造的一種寬禁帶電力電子器件,具有耐高溫、高頻、高效的特性。
按照器件工作形式,SiC電力電子器件主要包括功率二極管和功率開關(guān)管。功率二極管包括結(jié)勢壘肖特基(JBS)二極管、PiN二極管和超結(jié)二極管;功率開關(guān)管主要包括金屬氧化物半導體場效應(yīng)開關(guān)管(MOSFET)、結(jié)型場效應(yīng)開關(guān)管(JFET)、雙極型開關(guān)管(BJT)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)和發(fā)射極可關(guān)斷晶閘管(ETO)等。
2. 技術(shù)優(yōu)勢
與硅基電力電子器件必須采用硅單晶制造一樣,SiC電力電子器件是采用微電子工藝方法在SiC晶圓材料上加工出來的,目前常用的是4H-SiC型單晶襯底材料,以及在襯底上生長出來的外延材料。
4H-SiC半導體材料禁帶寬度幾乎是硅的三倍,臨界擊穿電場比硅材料高一個數(shù)量級,相同結(jié)構(gòu)下,其阻斷能力比硅器件高好多倍,相同的擊穿電壓下,SiC器件的漂移區(qū)可以更薄,可保證其擁有更小的導通電阻。一般硅器件最高到200℃就會因熱擊穿造成失效,而SiC具有的寬禁帶特性,保證了SiC器件可以在500℃以上高溫環(huán)境工作,且具有極好抗輻射性能。
SiC電力電子器件的開關(guān)頻率高于同結(jié)構(gòu)硅器件,可大幅降低開關(guān)損耗,大大提高系統(tǒng)效率;在應(yīng)用于功率集成系統(tǒng)時,SiC器件無反向恢復(fù)、散熱性好的突出特點,可使相關(guān)電路得到優(yōu)化,從而在整體上縮減系統(tǒng)尺寸,減輕系統(tǒng)重量,節(jié)約系統(tǒng)成本。
SiC電力電子器件重要系統(tǒng)優(yōu)勢在于其高壓(達數(shù)萬伏)、高溫(大于500℃)特性,突破了硅器件電壓(數(shù)kV)和溫度(小于200℃)限制所導致的嚴重系統(tǒng)局限性。
3. 應(yīng)用
SiC電力電子器件率先在低壓領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,目前商業(yè)產(chǎn)品電壓等級在600~1700V,已開始替代傳統(tǒng)硅器件。高壓SiC電力電子器件目前已研發(fā)出27kV PiN二極管、10~15kV/≥10A MOSFET、20kV GTO、22kV ETO和27kV的N型IGBT等。
當前SiC電力電子器件的成熟度和可靠性不斷提高,正在逐步成為保障電子裝備現(xiàn)代化的必要技術(shù)。
二、國際發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢
1. 科技政策與戰(zhàn)略規(guī)劃
20世紀80年代以來,美、日、歐等發(fā)達國家為保持航天、軍事和技術(shù)強國地位,始終將寬禁帶半導體技術(shù)放在極其重要的戰(zhàn)略地位,投入巨資實施了多項旨在提升裝備系統(tǒng)能力和減小模塊組件體積的技術(shù)開發(fā)計劃,取得了良好效果。
(1)美國。早在1997年制定的“國防與科學計劃”中,美國就明確了寬禁帶半導體的發(fā)展目標。2014年,奧巴馬總統(tǒng)親自主導成立了以SiC為代表的第三代寬禁帶半導體產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,全力支持寬禁帶半導體技術(shù),以引領(lǐng)下一代電力電子制造業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新。該聯(lián)盟目前已獲得聯(lián)邦和地方政府總計1.4億美元支持,計劃在未來5年里,使寬禁帶半導體技術(shù)在成本上具有與當前硅基電力電子技術(shù)競爭的能力,成為下一代節(jié)能、高效大功率電力電子芯片和器件,引領(lǐng)包括消費類電子、工業(yè)設(shè)備、通訊、清潔能源等在內(nèi)的,多個全球最大規(guī)模、最快增長速度的產(chǎn)業(yè)市場,全面提升國際競爭力并創(chuàng)造高薪就業(yè)機會。
2016年,美國陸軍資助通用電氣公司(GE)2.1億美元,用一年時間,采用新型SiC MOSFET器件與GaN器件,實現(xiàn)15kW、28V/600V的DC-DC雙向整流裝置,預(yù)期使現(xiàn)有硅基電力電子裝備尺寸減小50%、功率能力提升2倍,以提升陸軍坦克在高溫下的作戰(zhàn)能力。
(2)日本。從1998年開始,日本政府持續(xù)資助寬禁帶半導體技術(shù)研究。2013年,日本將SiC材料體系納入“首相戰(zhàn)略”,認為未來50%的節(jié)能要通過SiC器件來實現(xiàn),以便創(chuàng)造清潔能源的新時代。
近幾年,日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)(NEDO)制定了一系列關(guān)于SiC材料與器件的國家計劃,如“國家硬電子計劃”,主要發(fā)展高能、高速、高功率開關(guān)器件,用于空間、原子能、存儲及信息通訊。2015年NEDO啟動了SiC電力電子器件相關(guān)的研究計劃,重點針對SiC功率模塊在鐵路機車電路系統(tǒng)、多樣性電力交換系統(tǒng)、發(fā)電電動一體渦輪增壓機廢熱回收系統(tǒng)、尖端醫(yī)療設(shè)備和加速器小型化等領(lǐng)域的應(yīng)用進行研究,以實現(xiàn)節(jié)能、增效的目標。
(3)歐盟。2014年,歐盟啟動為期3年(2014—2017年)的,應(yīng)用于高效電力系統(tǒng)的SiC電力技術(shù)研究計劃(SPEED),總投入達1858萬歐元,7個國家的12家研究機構(gòu)和企業(yè)參與了該計劃。該計劃目標是通過匯集世界領(lǐng)先的制造商和研究人員來聯(lián)合攻克SiC電力電子器件技術(shù),突破SiC電力電子器件全產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)瓶頸,實現(xiàn)在可再生能源領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
2015年,德國聯(lián)邦研究部資助卡爾斯魯厄理工學院和工業(yè)界合作伙伴(資助金額80萬歐元),開展基于SiC開關(guān)器件提升高頻電源能效的研究,以提升工業(yè)生產(chǎn)中電源的能效,降低能源消耗和減少CO2排放。
2. 技術(shù)進展
隨著SiC外延材料技術(shù)不斷進步,主要發(fā)達國家競相發(fā)展SiC電力電子器件技術(shù)。近年來,多家國際大公司快速向6英寸SiC電力電子器件制造工藝轉(zhuǎn)移,SiC器件產(chǎn)品也在向高壓端和大容量端擴展。目前JBS二極管、PiN二極管、MOSFET、IGBT、GTO開關(guān)管等SiC器件已實現(xiàn)10kV以上電壓等級的樣品,其中單管器件最高電壓達到27kV以上。
SiC電力電子器件的產(chǎn)業(yè)化主要以德國英飛凌、美國Cree公司、GE和日本羅姆公司、豐田公司等為代表。SiC電力電子器件首先由英飛凌于2000年前后在JBS二極管上取得突破,打開市場化的僵局,目前SiC JBS二極管已廣泛應(yīng)用于高端電源市場。Cree、英飛凌、羅姆等公司逐步推出SiC MOSFET、JFET等產(chǎn)品,豐田公司則把SiC MOSFET器件應(yīng)用到電動汽車中。2015年,CREE公司推出全球首款全碳化硅功率模塊產(chǎn)品CAS300M17BM2,該產(chǎn)品有能力完全取代現(xiàn)有額定電流為400A或更高的硅基IGBT模塊,非常適用于高功率電機驅(qū)動開關(guān)和并網(wǎng)逆變器等應(yīng)用。
三、我國發(fā)展現(xiàn)狀與水平
1. SiC單晶材料技術(shù)
我國SiC單晶生長研究起步較晚,但在材料制備方面已取得較大突破。國內(nèi)SiC單晶的研發(fā)始于2000年,主要研究單位有中科院物理研究所、山東大學、中科院上海硅酸鹽研究所、中電集團46所等,均采用PVT法生長SiC單晶材料。產(chǎn)業(yè)化公司主要有北京天科合達、山東天岳、河北同光等。
在國家支持下,我國SiC單晶技術(shù)發(fā)展迅速,已建立了從生長、切割、研磨到化學機械拋光的完整SiC單晶襯底材料生產(chǎn)線。SiC單晶直徑已達6英寸,微管密度與國際產(chǎn)品相當,可提供N型、半絕緣等不同類型的襯底材料;特別是用于電力電子器件的N型SiC襯底材料,已實現(xiàn)電阻率<20mΩ·cm、可用面積超過90%的指標,一定程度上滿足國內(nèi)電力電子器件制備的需求。我國SiC單晶襯底質(zhì)量相對國際先進水平還有較大差距,特別是尺寸更大(6~8英寸)、微管和位錯密度更低的SiC襯底材料方面,仍有較多基本科學問題有待深入研究。
2. SiC外延材料技術(shù)
我國SiC外延材料研發(fā)工作始于“九五”計劃,材料生長技術(shù)及器件研究均取得較大進展。主要研究單位有中科院半導體研究所、中電集團13所和55所、西安電子科技大學等,產(chǎn)業(yè)化公司主要是東莞天域和廈門瀚天天成。
目前我國已研制成功6英寸SiC外延晶片,且基本實現(xiàn)商業(yè)化。我國已經(jīng)能夠提供成熟的N型SiC外延層材料產(chǎn)品,可提供各種器件結(jié)構(gòu)材料,滿足3.3kV及以下電壓等級SiC電力電子器件的研制。但是用于研制10kV及以上電壓等級器件的N型厚外延材料和用于研制雙極型器件的P型外延材料方面,尚有一些基礎(chǔ)問題需要攻克。
3. SiC器件技術(shù)
國內(nèi)SiC器件研制起步較晚,2000年以來國內(nèi)多家科研院所開展了相關(guān)研發(fā)工作。2014年,浙江大學研制出6000V JBS芯片,北京泰科天潤研發(fā)出3300V/10A JBS芯片,中電集團55所研制成功10kV JBS芯片。浙江大學聯(lián)合中電集團55所和山東大學等單位,成功研制4500V/100A JBS功率模塊、4500V/50A JFET功率模塊和10kV/200A串聯(lián)功率模塊,縮小了我國與國際領(lǐng)先水平的差距。MOSFET方面,西安電子科技大學、中科院微電子研究所、中電集團55所相繼研制出900V、1200V、1700V和3300V樣品。
四、我國進一步發(fā)展重點及對策建議
1. 發(fā)展重點
我國在SiC材料技術(shù)方面的進一步發(fā)展重點為:突破SiC單晶材料大直徑生長、多型控制、應(yīng)力和位錯缺陷降低等關(guān)鍵技術(shù),開發(fā)出滿足電力電子領(lǐng)域器件性能要求的,6~8英寸SiC單晶襯底制備技術(shù),解決國產(chǎn)SiC單晶生長的瓶頸問題。積極推進SiC單晶襯底和外延材料產(chǎn)業(yè)化,推進設(shè)備制造、生長與加工、檢測等技術(shù)全面國產(chǎn)化,促進SiC單晶和外延材料實用化,提高SiC電力電子器件水平。
在SiC電力電子器件及其應(yīng)用領(lǐng)域重點發(fā)展:中高壓肖特基二極管全面產(chǎn)業(yè)化、MOSFET芯片及模塊技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化、高壓IGBT芯片及模塊技術(shù)開發(fā)、高壓GTO芯片及模塊技術(shù)開發(fā)等。
2. 對策建議
由于SiC材料制備工藝難度大、成本偏高,使得SiC電力電子器件價格較高,影響其普及。隨著技術(shù)進步和生產(chǎn)企業(yè)逐漸增多,SiC材料與器件價格有望繼續(xù)降低。除成本外,對技術(shù)認識不足、缺少器件生產(chǎn)龍頭企業(yè)、器件生產(chǎn)和研發(fā)投入不足等,也是制約我國SiC技術(shù)發(fā)展的原因?;谖覈鳶iC材料和器件的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢,提出以下幾方面對策建議:
一是組織制定中長期發(fā)展規(guī)劃。SiC材料和器件技術(shù)及其產(chǎn)業(yè),直接關(guān)系到國家經(jīng)濟發(fā)展、國家安全和民生,需要上升到國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)高度來培育和發(fā)展。需要依靠國家大力支持,才能在落后國際先進水平的情況下奮起直追,打造獨立自主、具有國際競爭力的SiC材料和器件產(chǎn)業(yè)。建議根據(jù)國情和需求,編制“中國碳化硅材料和器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃”,對SiC材料和器件產(chǎn)業(yè)進行有規(guī)劃、分層次、長期的支持。
二是形成以企業(yè)為創(chuàng)新主體的規(guī)?;a(chǎn)業(yè)。我國SiC產(chǎn)業(yè)還處于發(fā)展初期,產(chǎn)業(yè)規(guī)模尚未形成。為應(yīng)對國際市場日益嚴峻的競爭壓力,我國在產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中應(yīng)以應(yīng)用需求為導向,以盡快形成規(guī)?;a(chǎn)業(yè)為目標,以企業(yè)為創(chuàng)新主體,加快制定產(chǎn)業(yè)標準,發(fā)揮產(chǎn)業(yè)地域效應(yīng)和集群效應(yīng),盡快實現(xiàn)SiC材料和器件產(chǎn)業(yè)規(guī)?;l(fā)展。
三是構(gòu)建“產(chǎn)學研用”結(jié)合的協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展體系。我國SiC材料和器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須堅持自主創(chuàng)新、“產(chǎn)學研用”相結(jié)合。目前亟需集中力量、突出重點,發(fā)揮科研院所的基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)和關(guān)鍵技術(shù)攻堅實力,并使之與企業(yè)緊密結(jié)合,形成自主知識產(chǎn)權(quán),不斷提高產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平和競爭力。建議以企業(yè)為創(chuàng)新主體的同時,堅持大專院校、科研院所和企業(yè)相結(jié)合的科研機制,加快SiC材料和器件產(chǎn)業(yè)化進程。
四是建設(shè)上下游緊密溝通和合作的完整產(chǎn)業(yè)鏈。國內(nèi)已有一批SiC單晶襯底材料、外延材料、器件設(shè)計和制造工藝的企事業(yè)單位,但離形成完整產(chǎn)業(yè)鏈尚有較大差距。襯底和外延材料、器件設(shè)計和制造工藝,以及材料質(zhì)量評價和性能驗證是環(huán)環(huán)相扣、互相推動的統(tǒng)一整體,建議發(fā)揮政策引導作用,建立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,對襯底材料、外延材料、器件設(shè)計和制造工藝等產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)進行整體支撐,引導各環(huán)節(jié)間實現(xiàn)資源共享、強強聯(lián)合,上下游互相拉動和促進,形成一個布局合理、結(jié)構(gòu)完整的產(chǎn)業(yè)鏈。
五是充分發(fā)揮行業(yè)協(xié)會和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟作用。建議充分發(fā)揮行業(yè)協(xié)會和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的橋梁和紐帶作用,向政府建言獻策、為企業(yè)出謀劃策,一方面向企業(yè)傳達政府政策,一方面向政府反映企業(yè)訴求,指導企業(yè)科學發(fā)展和自主創(chuàng)新,有效進行結(jié)構(gòu)調(diào)整,實現(xiàn)我國SiC材料和器件產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
本報告為科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專項項目“重點科技領(lǐng)域發(fā)展熱點跟蹤研究”(編號:ZLY2015072)研究成果之一。浙江大學盛況教授、郭清副教授參與了本研究。
本文特約編輯:姜念云
地址:中國 北京市海淀區(qū)玉淵潭南路8號 郵編(ZIP):100038
電話(Tel):86-10-58884543 咨詢:webmaster@casted.org.cn 新聞與信息:xxxz@casted.org.cn
版權(quán)所有 中國科學技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究院 備案號/經(jīng)營許可證備號:京ICP備10036465號-11
技術(shù)支持:中研網(wǎng)