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碳化硅电力电子发展现状与趋势

目前电网技术正向智能化发展,碳化硅电力电子器件技术的进步及产业化,将在高压电力系统开辟全新应用,对电力系统变革产生深远影响。碳化硅电力电子器件优异的高效、高压、高温和高频特性,使其在家用电器、电机节能、电动汽车、智能电网、航天航空、石油勘探、自动化、雷达与通信等领域有很大应用潜力。

一、关于碳化硅电力电子器件

1.定义电力电子器件(PowerElectronicDevice)又称为功率半导体器件,主要指用于电力设备电能变换和控制电路方面的大功率电子器件。碳化硅(SiC)电力电子器件是指采用第三代半导体材料SiC制造的一种宽禁带电力电子器件,具有耐高温、高频、高效的特性。按照器件工作形式,SiC电力电子器件主要包括功率二极管和功率开关管。功率二极管包括结势垒肖特基(JBS)二极管、PiN二极管和超结二极管;功率开关管主要包括金属氧化物半导体场效应开关管(MOSFET)、结型场效应开关管(JFET)、双极型开关管(BJT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、门极可关断晶闸管(GTO)和发射极可关断晶闸管(ETO)等。2.技术优势与硅基电力电子器件必须采用硅单晶制造一样,SiC电力电子器件是采用微电子工艺方法在SiC晶圆材料上加工出来的,目前常用的是4H-SiC型单晶衬底材料,以及在衬底上生长出来的外延材料。是硅的三倍,临界击穿电场比硅材料高一个数量级,相同结构下,其阻断能力比硅器件高好多倍,相同的击穿电压下,SiC器件的漂移区可以更薄,可保证其拥有更小的导通电阻。一般硅器件最高到200℃就会因热击穿造成失效,而SiC具有的宽禁带特性,保证了SiC器件可以在500℃以上高温环境工作,且具有极好抗辐射性能。SiC电力电子器件的开关频率高于同结构硅器件,可大幅降低开关损耗,大大提高系统效率;在应用于功率集成系统时,SiC器件无反向恢复、散热性好的突出特点,可使相关电路得到优化,从而在整体上缩减系统尺寸,减轻系统重量,节约系统成本。SiC电力电子器件重要系统优势在于其高压(达数万伏)、高温(大于500℃)特性,突破了硅器件电压(数kV)和温度(小于200℃)限制所导致的严重系统局限性。3.应用SiC电力电子器件率先在低压领域实现产业化,目前商业产品电压等级在600~1700V,已开始替代传统硅器件。高压SiC电力电子器件目前已研发出27kVPiN二极管、10~15kV/≥10AMOSFET、20kVGTO、22kVETO和27kV的N型IGBT等。当前SiC电力电子器件的成熟度和可靠性不断提高,正在逐步成为保障电子装备现代化的必要技术。

二、国际发展现状与趋势

1.科技政策与战略规划20世纪80年代以来,美、日、欧等发达国家为保持航天、军事和技术强国地位,始终将宽禁带半导体技术放在极其重要的战略地位,投入巨资实施了多项旨在提升装备系统能力和减小模块组件体积的技术开发计划,取得了良好效果。(1)美国。早在1997年制定的“国防与科学计划”中,美国就明确了宽禁带半导体的发展目标。2014年,奥巴马总统亲自主导成立了以SiC为代表的第三代宽禁带半导体产业联盟,全力支持宽禁带半导体技术,以引领下一代电力电子制造业的技术创新。该联盟目前已获得联邦和地方政府总计1.4亿美元支持,计划在未来5年里,使宽禁带半导体技术在成本上具有与当前硅基电力电子技术竞争的能力,成为下一代节能、高效大功率电力电子芯片和器件,引领包括消费类电子、工业设备、通讯、清洁能源等在内的,多个全球最大规模、最快增长速度的产业市场,全面提升国际竞争力并创造高薪就业机会。2016年,美国陆军资助通用电气公司(GE)2.1亿美元,用一年时间,采用新型SiCMOSFET器件与GaN器件,实现15kW、28V/600V的DC-DC双向整流装置,预期使现有硅基电力电子装备尺寸减小50%、功率能力提升2倍,以提升陆军坦克在高温下的作战能力。(2)日本。从1998年开始,日本政府持续资助宽禁带半导体技术研究。2013年,日本将SiC材料体系纳入“首相战略”,认为未来50%的节能要通过SiC器件来实现,以便创造清洁能源的新时代。近几年,日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)制定了一系列关于SiC材料与器件的国家计划,如“国家硬电子计划”,主要发展高能、高速、高功率开关器件,用于空间、原子能、存储及信息通讯。2015年NEDO启动了SiC电力电子器件相关的研究计划,重点针对SiC功率模块在铁路机车电路系统、多样性电力交换系统、发电电动一体涡轮增压机废热回收系统、尖端医疗设备和加速器小型化等领域的应用进行研究,以实现节能、增效的目标。(3)欧盟。2014年,欧盟启动为期3年(2014—2017年)的,应用于高效电力系统的SiC电力技术研究计划(SPEED),总投入达1858万欧元,7个国家的12家研究机构和企业参与了该计划。该计划目标是通过汇集世界领先的制造商和研究人员来联合攻克SiC电力电子器件技术,突破SiC电力电子器件全产业链的技术瓶颈,实现在可再生能源领域的广泛应用。2015年,德国联邦研究部资助卡尔斯鲁厄理工学院和工业界合作伙伴(资助金额80万欧元),开展基于SiC开关器件提升高频电源能效的研究,以提升工业生产中电源的能效,降低能源消耗和减少CO2排放。2.技术进展随着SiC外延材料技术不断进步,主要发达国家竞相发展SiC电力电子器件技术。近年来,多家国际大公司快速向6英寸SiC电力电子器件制造工艺转移,SiC器件产品也在向高压端和大容量端扩展。目前JBS二极管、PiN二极管、MOSFET、IGBT、GTO开关管等SiC器件已实现10kV以上电压等级的样品,其中单管器件最高电压达到27kV以上。SiC电力电子器件的产业化主要以德国英飞凌、美国Cree公司、GE和日本罗姆公司、丰田公司等为代表。SiC电力电子器件首先由英飞凌于2000年前后在JBS二极管上取得突破,打开市场化的僵局,目前SiCJBS二极管已广泛应用于高端电源市场。Cree、英飞凌、罗姆等公司逐步推出SiCMOSFET、JFET等产品,丰田公司则把SiCMOSFET器件应用到电动汽车中。2015年,CREE公司推出全球首款全碳化硅功率模块产品CAS300M17BM2,该产品有能力完全取代现有额定电流为400A或更高的硅基IGBT模块,非常适用于高功率电机驱动开关和并网逆变器等应用。

三、我国发展现状与水平

1.SiC单晶材料技术我国SiC单晶生长研究起步较晚,但在材料制备方面已取得较大突破。国内SiC单晶的研发始于2000年,主要研究单位有中科院物理研究所、山东大学、中科院上海硅酸盐研究所、中电集团46所等,均采用PVT法生长SiC单晶材料。产业化公司主要有北京天科合达、山东天岳、河北同光等。在国家支持下,我国SiC单晶技术发展迅速,已建立了从生长、切割、研磨到化学机械抛光的完整SiC单晶衬底材料生产线。SiC单晶直径已达6英寸,微管密度与国际产品相当,可提供N型、半绝缘等不同类型的衬底材料;特别是用于电力电子器件的N型SiC衬底材料,已实现电阻率<20mΩ•cm、可用面积超过90%的指标,一定程度上满足国内电力电子器件制备的需求。我国SiC单晶衬底质量相对国际先进水平还有较大差距,特别是尺寸更大(6~8英寸)、微管和位错密度更低的SiC衬底材料方面,仍有较多基本科学问题有待深入研究。2.SiC外延材料技术我国SiC外延材料研发工作始于“九五”计划,材料生长技术及器件研究均取得较大进展。主要研究单位有中科院半导体研究所、中电集团13所和55所、西安电子科技大学等,产业化公司主要是东莞天域和厦门瀚天天成。目前我国已研制成功6英寸SiC外延晶片,且基本实现商业化。我国已经能够提供成熟的N型SiC外延层材料产品,可提供各种器件结构材料,满足3.3kV及以下电压等级SiC电力电子器件的研制。但是用于研制10kV及以上电压等级器件的N型厚外延材料和用于研制双极型器件的P型外延材料方面,尚有一些基础问题需要攻克。3.SiC器件技术国内SiC器件研制起步较晚,2000年以来国内多家科研院所开展了相关研发工作。2014年,浙江大学研制出6000VJBS芯片,北京泰科天润研发出3300V/10AJBS芯片,中电集团55所研制成功10kVJBS芯片。浙江大学联合中电集团55所和山东大学等单位,成功研制4500V/100AJBS功率模块、4500V/50AJFET功率模块和10kV/200A串联功率模块,缩小了我国与国际领先水平的差距。MOSFET方面,西安电子科技大学、中科院微电子研究所、中电集团55所相继研制出900V、1200V、1700V和3300V样品。

四、我国进一步发展重点及对策建议

1.发展重点我国在SiC材料技术方面的进一步发展重点为:突破SiC单晶材料大直径生长、多型控制、应力和位错缺陷降低等关键技术,开发出满足电力电子领域器件性能要求的,6~8英寸SiC单晶衬底制备技术,解决国产SiC单晶生长的瓶颈问题。积极推进SiC单晶衬底和外延材料产业化,推进设备制造、生长与加工、检测等技术全面国产化,促进SiC单晶和外延材料实用化,提高SiC电力电子器件水平。在SiC电力电子器件及其应用领域重点发展:中高压肖特基二极管全面产业化、MOSFET芯片及模块技术开发及产业化、高压IGBT芯片及模块技术开发、高压GTO芯片及模块技术开发等。2.对策建议由于SiC材料制备工艺难度大、成本偏高,使得SiC电力电子器件价格较高,影响其普及。随着技术进步和生产企业逐渐增多,SiC材料与器件价格有望继续降低。除成本外,对技术认识不足、缺少器件生产龙头企业、器件生产和研发投入不足等,也是制约我国SiC技术发展的原因。基于我国SiC材料和器件的现状和未来发展趋势,提出以下几方面对策建议:一是组织制定中长期发展规划。SiC材料和器件技术及其产业,直接关系到国家经济发展、国家安全和民生,需要上升到国家战略性新兴产业高度来培育和发展。需要依靠国家大力支持,才能在落后国际先进水平的情况下奋起直追,打造独立自主、具有国际竞争力的SiC材料和器件产业。建议根据国情和需求,编制“中国碳化硅材料和器件产业发展中长期规划”,对SiC材料和器件产业进行有规划、分层次、长期的支持。二是形成以企业为创新主体的规模化产业。我国SiC产业还处于发展初期,产业规模尚未形成。为应对国际市场日益严峻的竞争压力,我国在产业发展过程中应以应用需求为导向,以尽快形成规模化产业为目标,以企业为创新主体,加快制定产业标准,发挥产业地域效应和集群效应,尽快实现SiC材料和器件产业规模化发展。三是构建“产学研用”结合的协同创新发展体系。我国SiC材料和器件产业发展必须坚持自主创新、“产学研用”相结合。目前亟需集中力量、突出重点,发挥科研院所的基础技术研发和关键技术攻坚实力,并使之与企业紧密结合,形成自主知识产权,不断提高产业技术水平和竞争力。建议以企业为创新主体的同时,坚持大专院校、科研院所和企业相结合的科研机制,加快SiC材料和器件产业化进程。四是建设上下游紧密沟通和合作的完整产业链。国内已有一批SiC单晶衬底材料、外延材料、器件设计和制造工艺的企事业单位,但离形成完整产业链尚有较大差距。衬底和外延材料、器件设计和制造工艺,以及材料质量评价和性能验证是环环相扣、互相推动的统一整体,建议发挥政策引导作用,建立产业联盟,对衬底材料、外延材料、器件设计和制造工艺等产业链各环节进行整体支撑,引导各环节间实现资源共享、强强联合,上下游互相拉动和促进,形成一个布局合理、结构完整的产业链。五是充分发挥行业协会和产业联盟作用。建议充分发挥行业协会和产业联盟的桥梁和纽带作用,向政府建言献策、为企业出谋划策,一方面向企业传达政府政策,一方面向政府反映企业诉求,指导企业科学发展和自主创新,有效进行结构调整,实现我国SiC材料和器件产业的可持续发展。

作者:陈硕翼 张丽 唐明生 李建福 单位:1. 科技部高技术研究发展中心;2. 中国科学院理化技术研究所;3. 北京鉴衡认证中心有限公司

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