国内外碳化硅电力电子器件技术进展.pptx

中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所1碳化硅相比于硅的优势碳化硅相比于硅的优势与硅相比，碳化硅（与硅相比，碳化硅（4H-SiC）具有：）具有：u10倍以上的临界电场强度倍以上的临界电场强度 u3倍禁带宽度倍禁带宽度u3倍的热导率倍的热导率u 工作于更高的温度和辐射环境工作于更高的温度和辐射环境u更高的系统效率（损耗降低更高的系统效率（损耗降低1/2）u芯片面积芯片面积1/5u工作频率高，工作频率高，10kV器件器件20kHzu单个器件更高的电压（单个器件更高的电压（20kV以上）以上）u可减小体积和重量：减少或免除水冷，免除笨重的可减小体积和重量：减少或免除水冷，免除笨重的50Hz变压器。变压器。第第2页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所2600V-1200V 的碳化硅器件的碳化硅器件节能，高频的节能，高频的SiC二极管，目前用二极管，目前用于高效电源（包括于高效电源（包括LED TV的电源）的电源）、太阳能逆变器。、太阳能逆变器。等开关器件量产之后，将引领另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一波增长，比如混合电动汽车可可以取消一路制冷，省油可以取消一路制冷，省油10%。比如比如5kW的的 inverter，比硅系统，比硅系统小小7倍，轻倍，轻8倍，节能倍，节能20%（同时（同时满足）满足）,非常适合在空间飞行器、非常适合在空间飞行器、飞机上的应用。飞机上的应用。第第3页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所31700V-6500V的碳化硅器件的碳化硅器件比如风力发电、电力机车。比如风力发电、电力机车。2020年欧洲风能增加年欧洲风能增加6倍，每个倍，每个5兆兆瓦的风力发电机需要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。更加明显。Cree已经推出已经推出1700V，25A二极管产品。二极管产品。第第4页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所4高于高于10kV的碳化硅器件的碳化硅器件1.10kV的存取电系统：未来电网有更多的分布式新能源（太阳能，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，风能。），需要储存电能。降压，储存，升压这一个来回，SiC可以节能可以节能10%，并且去除笨重的，并且去除笨重的60hz变压器。变压器。2.HVDC：中国西电东输。挪威的海上石油平台，欧洲海上风电场：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。需要需要长距离高压输电。需要20kV或更高电压的碳化硅器件。或更高电压的碳化硅器件。第第5页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所5低电压市场爆发增长，高压器件将陆续出货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：第一波市场是肖特基二极管：2008销售额达销售额达2300万美元，万美元，2010年年已达已达1亿美元。（亿美元。（2010财政年度财政年度,2010年年7月为止）。去年月为止）。去年Cree 二极管二极管销售增长销售增长120%。2005年以来平均年以来平均68%的年增长率。的年增长率。2.器件价格不断下降。从器件价格不断下降。从2007年到年到2010年，年，Cree的碳化硅二极管价的碳化硅二极管价格降了格降了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。量和工艺水平、扩大规模。Cree于于07年，英飞凌于年，英飞凌于08年转为年转为4寸生产寸生产线。为了进一步降低器件成本，线。为了进一步降低器件成本，Cree在在2010年欧洲碳化硅会议上发年欧洲碳化硅会议上发布布6英寸衬底英寸衬底,一年后量产。同样的外延炉，一年后量产。同样的外延炉，6寸比寸比4寸增加寸增加50%的有的有效面积。效面积。3.英飞凌在英飞凌在2010年欧洲碳化硅会议上宣布，年欧洲碳化硅会议上宣布，2011年量产碳化硅开关年量产碳化硅开关器件（器件（JFET）。这将引领更大的市场增长。）。这将引领更大的市场增长。4.Cree已经推出已经推出1700V 二极管。市场拓展到马达驱动领域。二极管。市场拓展到马达驱动领域。第第6页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所6材料的来源和质量材料的来源和质量1.2009年的统计，英飞凌和年的统计，英飞凌和Cree每月各需要每月各需要1500片片4寸片。寸片。Cree的的4寸寸导电衬底基本被导电衬底基本被Cree和英飞凌瓜分，少量被意法半导体等拿到。和英飞凌瓜分，少量被意法半导体等拿到。2.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。比如英寸高质量衬底。比如II-VI半年内产能扩大到半年内产能扩大到3倍，倍，5年内衬底产量增到年内衬底产量增到9倍（绝大部分来自电倍（绝大部分来自电力电子衬底）。力电子衬底）。II-VI公司准备明年发布公司准备明年发布6英寸。英寸。Dow Corning 大踏步大踏步进入衬底和外延市场。预计进入衬底和外延市场。预计5年后，健全的年后，健全的6英寸产业链将打开白色家英寸产业链将打开白色家电的市场。电的市场。3.材料的质量：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。条件。现在不仅现在不仅Cree，II-VI，DowCorning已经具有零微管技术。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。预计外延很快有大幅度的改，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：年欧洲碳化硅会议上发布了碳化硅外延设备：6x6英寸。英寸。第第7页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所7节能减排的大背景节能减排的大背景2005年全世界碳排放年全世界碳排放28万亿吨，如果不采取措施，万亿吨，如果不采取措施，2050年会达到年会达到65万亿吨。采取积极措施之后，可万亿吨。采取积极措施之后，可以降到以降到14 万亿吨，最重要的措施是：万亿吨，最重要的措施是：1.新能源：可以降低新能源：可以降低21%的碳排放。的碳排放。2.节省用电：高效用电技术可以减少节省用电：高效用电技术可以减少24%的碳排的碳排放。放。碳化硅电力电子在以上两方面都有重要应用。碳化硅电力电子在以上两方面都有重要应用。第第8页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所8节能方面比节能方面比LED更有潜力更有潜力因为照明（包括因为照明（包括LED），只占），只占20%的电能应用。的电能应用。80%的电能用的电能用于马达、电源。尽管于马达、电源。尽管Cree目前目前85%的利润来自的利润来自LED。Cree公司公司宣称绝不放弃电力电子市场。宣称绝不放弃电力电子市场。第第9页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所9 国外碳化硅器件研究状况国外碳化硅器件研究状况第第10页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所10肖特基二极管肖特基二极管（SBD、JBS）开关开关 双极型二极管双极型二极管 IGBTSiC电力电子器件电力电子器件整流器整流器PIN单极晶体管单极晶体管双极晶体管双极晶体管MOSFETJFETBJT,GTO国外：多种器件系统研发，其中低功率国外：多种器件系统研发，其中低功率SBD已经产品化。已经产品化。目前重点开发的器件类型：目前重点开发的器件类型：第第11页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所11美国美国 Cree:MOSFET、BJT、JBS、GTO GE:VDMOS,模拟集成电路模拟集成电路 Semisouth：JFET、JBS 日本日本 Rohm：MOSFET Mitsubishi：MOSFET AIST：MOSFET Hitachi:JFET DENSO：JBS KEPCO：模块：模块欧洲欧洲 Infineon：JBS,JFET Bosch：模拟集成电路：模拟集成电路碳化硅器件开发机构列举碳化硅器件开发机构列举第第12页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所12碳化硅单极器件碳化硅单极器件第第13页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所13美国美国Cree和德国英飞凌等多家公司能够提供碳化硅和德国英飞凌等多家公司能够提供碳化硅 SBD的系列的系列产品，其中反向耐压有产品，其中反向耐压有600V，1200V，1700V多个系列，正向电多个系列，正向电流最高达流最高达50A。目前国外已经淘汰了目前国外已经淘汰了2英寸碳化硅晶圆，目前主流是英寸碳化硅晶圆，目前主流是3英寸。英飞英寸。英飞凌、凌、Cree已经开始采用已经开始采用4英寸生产线。英寸生产线。英飞凌英飞凌2005年开始推出第二代碳化硅年开始推出第二代碳化硅SBD：JBS二极管。二极管。碳化硅肖特基二极管产业发展碳化硅肖特基二极管产业发展第第14页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所14碳化硅碳化硅MOSFET：研发阶段：研发阶段日本日本Rohm公司在公司在3英寸晶圆上制作的英寸晶圆上制作的1200V/20A MOSFET，碳化硅碳化硅MOSFET和和SBD组成的组成的IPM模块。模块。第第15页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所15碳化硅高压肖特基二极管碳化硅高压肖特基二极管Cree 10kV 20A SiC 模块模块Cree在在3英寸晶圆上制作的英寸晶圆上制作的10kV/20A 肖特基肖特基 二极管。芯片二极管。芯片面积达到面积达到 15mm x 11mm。第第16页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所16碳化硅高压碳化硅高压MOSFETCree在在3英寸晶圆上制作的英寸晶圆上制作的10kV/20A MOSFET。芯片面积超过。芯片面积超过 8mm x 8mm。第第17页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所17碳化硅双极器件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以上以上的二极管、晶闸管、的二极管、晶闸管、IGBT。目前已经有零微管。目前已经有零微管4英寸单晶技术和超英寸单晶技术和超过过200um的厚外延技术。瓶颈是外延质量。的厚外延技术。瓶颈是外延质量。第第18页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所18碳化硅碳化硅PIN二极管二极管Cree在在2英寸晶圆上制作的英寸晶圆上制作的20kV/10A PIN 二极管二极管第第19页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所19碳化硅碳化硅IGBTCree公司报告了一个碳化硅公司报告了一个碳化硅n沟道沟道IGBT，其特征电阻，其特征电阻22mcm2，反向，反向抵抗抵抗13kV。其特征电阻比。其特征电阻比13kV碳化硅单极器件低了大概碳化硅单极器件低了大概10倍！展示倍！展示了碳化硅材料提供高功率的潜力。但是碳化硅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。的技术难度很大。第第20页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所20碳化硅碳化硅GTO2009年年Cree公司报告了一个大面积碳化硅公司报告了一个大面积碳化硅GTO，N型衬底。型衬底。第第21页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所21碳化硅碳化硅GTOCree公司的公司的9kV GTO，单芯片电流，单芯片电流400A第第22页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所22碳化硅碳化硅GTO 20kV器件。提高少子寿命和减少器件。提高少子寿命和减少BPD缺陷至关重要，是目前缺陷至关重要，是目前外延技术研究的热点。外延技术研究的热点。第第23页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所23碳化硅高温集成电路碳化硅高温集成电路第第24页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所24lGE：NMOS OPAMP，室温增益，室温增益=60dB，300 增益增益=57.9dB。地热发电，发动机燃烧控制。地热发电，发动机燃烧控制。lBosch：NMOS，汽车尾气探测，汽车尾气探测，400。lNASA：JFET集成电路，集成电路，500,4k小时可靠性测试。现小时可靠性测试。现在正在空间站运行。在正在空间站运行。lRaytheon：CMOS碳化硅集成电路研究取得进展碳化硅集成电路研究取得进展第第25页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所25l10kV以下的器件会陆续上市场。以下的器件会陆续上市场。20kV的器件方的器件方面，外延材料是研究热点。面，外延材料是研究热点。l集成电路开始成为研究热点。集成电路开始成为研究热点。l耐高温和高压器件的封装测试问题开始受到重视。耐高温和高压器件的封装测试问题开始受到重视。国外发展总结国外发展总结第第26页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所2655所的碳化硅工作所的碳化硅工作第第27页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所27外延外延生长的生长的10微米外延薄膜表面原子力图像微米外延薄膜表面原子力图像.第第28页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所28器件器件600V-30A第第29页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所29l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温125下进行。下进行。l和硅二极管对比。硅二极管是国际整流器公司的和硅二极管对比。硅二极管是国际整流器公司的600V-30A超快二极超快二极管：管：IRGP30B60KD。碳化硅二极管是我们的。碳化硅二极管是我们的600V-30A SiC JBS。应用：续流二极管对应用：续流二极管对IGBT模块的影响模块的影响第第30页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所30续流二极管对续流二极管对IGBT模块的影响模块的影响IGBT的开通特性：左图硅二极管，右图碳化硅二极管。的开通特性：左图硅二极管，右图碳化硅二极管。减少了减少了IGBT电流尖峰，减少了电流尖峰，减少了EMC。测试条件：测试条件：VCC=400V;IC=35A;Rg=27;Tj=125.CH1:IC=15A/div;CH2:VCC=100V/div;timebase=200ns/divIGBT开通开通第第31页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所31续流二极管对续流二极管对IGBT模块的影响模块的影响IGBT开通开通参数参数单位单位Si-diodeSi-diodeSiC SBDSiC SBD条件条件VCC=400V;IC=35A;VGE=15V;Rg=27,感性负载感性负载Tj=125 td(on)ns7070trns5050E(on)mJ1.00.7IpeakA8460IGBT 开通特性比较开通特性比较第第32页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所32续流二极管对续流二极管对IGBT模块的影响模块的影响IGBT开通开通在不同电流下，和两种二极管配对的在不同电流下，和两种二极管配对的IGBT开通能耗比较。开通能耗比较。第第33页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所33续流二极管对续流二极管对IGBT模块的影响模块的影响IGBT的关断特性：左图硅二极管，右图碳化硅二极管。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。基本没有差别。测试条件：测试条件：VCC=400V;IC=35A;Rg=27;Tj=125。CH1:IC=10A/div;CH2:VCC=100V/div;timebase=200ns/divIGBT关断关断第第34页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所34续流二极管对续流二极管对IGBT模块的影响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。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：测试条件：VCC=400V;IF=-35A;Rg=27;Tj=125 CH1:IC=15A/div;CH2:VCC=200V/div;timebase=100ns/div二极管反向恢复二极管反向恢复第第35页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所35续流二极管对续流二极管对IGBT模块的影响模块的影响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，所以电压尖峰从比硅二极管高，所以电压尖峰从560V下降到下降到440V，过电压从，过电压从160V（40%过电压）下降为过电压）下降为40V（10%过电压），提高了模块的可靠性。过电压），提高了模块的可靠性。参数参数单位单位Si-diodeSiC-JBS减小比减小比例例条件条件VCC=400V;IF=35A;Rg=27,感性负载感性负载Tj=125IrrA401465trrns1266251QrruC3.30.390ErecmJ0.70.0790%二极管反向恢复二极管反向恢复第第36页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所36续流二极管对续流二极管对IGBT模块的影响模块的影响在不同电流下，两种二极管反向恢复能耗比较。在不同电流下，两种二极管反向恢复能耗比较。二极管反向恢复二极管反向恢复第第37页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所37续流二极管对续流二极管对IGBT模块的影响模块的影响35A电流下，两种电流下，两种600V IGBT模块动态能耗比较。模块动态能耗比较。和国外产品报道相当（参见和国外产品报道相当（参见Cree公司产品介绍）。公司产品介绍）。模块动态总能耗模块动态总能耗第第38页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所38需要解决的问题需要解决的问题两种两种600V 二极管正向特性比较。二极管正向特性比较。SiC芯片面积芯片面积 受到目前工艺所限，因受到目前工艺所限，因此此SiC二极管正向压降较大。二极管正向压降较大。第第39页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所39国内的碳化硅现状国内的碳化硅现状u国内对碳化硅很熟悉：各个大学普遍都有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。源厂家用碳化硅肖特基二极管。第第40页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所40碳化硅产业链健全，核心技术落后碳化硅产业链健全，核心技术落后u国内产业链比较健全，基础技术（单晶，外延和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。器件）离国外有很大距离。单晶：天科合达，单晶：天科合达，46所，神舟，硅酸盐所所，神舟，硅酸盐所外延：中科院，西电，外延：中科院，西电，13所，所，55所所器件：西电，器件：西电，13所，所，55所，南车所，南车封装：封装：13所，所，55所，南车所，南车电路应用：清华，浙大，南航，海军工程大学电路应用：清华，浙大，南航，海军工程大学用户：国网，南车用户：国网，南车（笔者信息有限，如有遗漏，特此致歉）（笔者信息有限，如有遗漏，特此致歉）第第41页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所41未受到重视未受到重视u研究处于小规模和分散状态。至今还没有上马针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。对碳化硅电力电子的国家科研项目。u今年海军工程大学和国家电网先后组织过碳化硅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。研讨会，碳化硅逐渐扩大影响。u根据国外的发展速度来看，我们现在如不下决心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。投入，会失去机会。第第42页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所42国内发展建议：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尽快提高二极管器件的性能，形成小批量生产和送样能力。（样能力。（2）尽快实现开关器件和高压器件的突破。）尽快实现开关器件和高压器件的突破。要赶在国外要赶在国外6英寸大规模生产之前（英寸大规模生产之前（23年）完成技术年）完成技术积累。积累。国外是通过国家项目支持，然后快速产业化。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。材料、器件和封装产业链的合作。第第43页页/共共44页页中国电子科技集团公司中国电子科技集团公司5555所所43李宇柱，男（汉族），李宇柱，男（汉族），1975年生，年生，1999年年9月毕月毕 业于北京清华大学电子系业于北京清华大学电子系微电子专业，获学士学位。微电子专业，获学士学位。2008年年1月毕业于美国月毕业于美国Rutgers大学电大学电子系微电子专业，获博士学位，读博子系微电子专业，获博士学位，读博士期间研究内容为碳化硅电力电子器士期间研究内容为碳化硅电力电子器件工艺开发。件工艺开发。2008年起在南京电子器年起在南京电子器件研究所单片集成电路和模块重点实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。器件设计和工艺技术的研究。第第44页页/共共44页页