CETC第五十五研究所-国内外碳 化硅电力电子器件技术进展

中国电子科技集团公司55所1国内外碳化硅电力电子进展IC-CHINA2010CETC第五十五研究所李宇柱2010年10月23日中国电子科技集团公司55所2一、碳化硅的市场二、国外技术进展三、我国发展状况四、发展建议内容提要中国电子科技集团公司55所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。中国电子科技集团公司55所4600V-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LEDTV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。中国电子科技集团公司55所51700V-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。。中国电子科技集团公司55所6高于10kV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，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。2.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。中国电子科技集团公司55所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。中国电子科技集团公司55所8材料的来源和质量1.2009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。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。DowCorning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。中国电子科技集团公司55所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。中国电子科技集团公司55所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。中国电子科技集团公司55所11国外碳化硅器件研究状况中国电子科技集团公司55所12肖特基二极管（SBD、JBS）开关双极型二极管IGBTSiC电力电子器件整流器PIN单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SBD已经产品化。目前重点开发的器件类型：中国电子科技集团公司55所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中国电子科技集团公司55所14碳化硅单极器件中国电子科技集团公司55所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中国电子科技集团公司55所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/20AMOSFET，碳化硅MOSFET和SBD组成的IPM模块。中国电子科技集团公司55所17碳化硅高压肖特基二极管Cree10kV20ASiC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15mmx11mm。中国电子科技集团公司55所18碳化硅高压MOSFETCree在3英寸晶圆上制作的10kV/20AMOSFET。芯片面积超过8mmx8mm。中国电子科技集团公司55所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。中国电子科技集团公司55所20碳化硅PIN二极管Cree在2英寸晶圆上制作的20kV/10APIN二极管中国电子科技集团公司55所21碳化硅IGBTCree公司报告了一个碳化硅n沟道IGBT，其特征电阻22mΩcm2，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。中国电子科技集团公司55所22碳化硅GTO2009年Cree公司报告了一个大面积碳化硅GTO，N型衬底。中国电子科技集团公司55所23碳化硅GTOCree公司的9kVGTO，单芯片电流400A中国电子科技集团公司55所24碳化硅GTO20kV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。中国电子科技集团公司55所25碳化硅高温集成电路中国电子科技集团公司55所26GE：NMOSOPAMP，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中国电子科技集团公司55所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。国外发展总结中国电子科技集团公司55所2855所的碳化硅工作中国电子科技集团公司55所29外延生长的10微米外延薄膜表面原子力图像.中国电子科技集团公司55所30器件0.00.40.81.21.62.001020304025CAV1device(8.75mm2)2.6mcm20200400600800020406080100AV600V-30A中国电子科技集团公司55所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-30ASiCJBS。应用：续流二极管对IGBT模块的影响中国电子科技集团公司55所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=27Ω;Tj=125℃.CH1:IC=15A/div;CH2:VCC=100V/div;timebase=200ns/div——IGBT开通中国电子科技集团公司55所33续流二极管对IGBT模块的影响——IGBT开通参数单位Si-diodeSiCSBD条件VCC=400V;IC=35A;VGE=15V;Rg=27Ω,感性负载Tj=125℃td(on)ns7070trns5050E(on)mJ1.00.7IpeakA8460IGBT开通特性比较中国电子科技集团公司55所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。中国电子科技集团公司55所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=27Ω;Tj=125℃。CH1:IC=10A/div;CH2:VCC=100V/div;timebase=200ns/div——IGBT关断中国电子科技集团公司55所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=27Ω;Tj=125℃CH1:IC=15A/div;CH2:VCC=200V/div;timebase=100ns/div——二极管反向恢复中国电子科技集团公司55所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-diodeSiC-JBS减小比例条件VCC=400V;IF=35A;Rg=27Ω,感性负载Tj=125℃IrrA401465％trrns1266251％QrruC3.30.390％ErecmJ0.70.0790%——二极管反向恢复中国电子科技集团公司55所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。——二极管反向恢复中国电子科技集团公司55所39续流二极管对IGBT模块的影响35A电流下，两种600VIGBT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）。——模块动态总能耗中国电子科技集团公司55所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。中国电子科技集团公司55所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。中国电子科技集团公司55所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