Transcript 李宇柱国内外碳化硅电力电子器件技术进展

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
中国电子科技集团公司55所
1
内容提要
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
中国电子科技集团公司55所
2
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
3
600V-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。
中国电子科技集团公司55所
4
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。 。
中国电子科技集团公司55所
5
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
6
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
7
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IIVI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
8
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
9
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
10
国外碳化硅器件研究状况
中国电子科技集团公司55所
11
目前重点开发的器件类型：
SiC电力电子器件
开关
整流器
双极型二极管
PIN
肖特基二极管
（SBD、JBS）
单极晶体管
MOSFET
JFET
双极晶体管
BJT,
GTO
IGBT
国外：多种器件系统研发，其中低功率SBD已经产品化。
中国电子科技集团公司55所
12
碳化硅器件开发机构列举
美国
Cree: MOSFET、BJT、JBS、GTO
GE: VDMOS, 模拟集成电路
Semisouth：JFET、JBS
日本
Rohm：MOSFET
Mitsubishi：MOSFET
AIST：MOSFET
Hitachi: JFET
DENSO：JBS
KEPCO：模块
欧洲
Infineon ：JBS, JFET
Bosch：模拟集成电路
中国电子科技集团公司55所
13
碳化硅单极器件
中国电子科技集团公司55所
14
碳化硅肖特基二极管产业发展
•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。
中国电子科技集团公司55所
15
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。
中国电子科技集团公司55所
16
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。
中国电子科技集团公司55所
17
碳化硅高压MOSFET
Cree在3英寸晶圆上制作的10kV/20A
MOSFET。芯片面积超过 8mm x 8mm。
中国电子科技集团公司55所
18
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
19
碳化硅PIN二极管
Cree在2英寸晶圆上制作的20kV/10A PIN 二极管
中国电子科技集团公司55所
20
碳化硅IGBT
Cree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
21
碳化硅GTO
2009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
22
碳化硅GTO
Cree公司的9kV GTO，单芯片电流400A
中国电子科技集团公司55所
23
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。
中国电子科技集团公司55所
24
碳化硅高温集成电路
中国电子科技集团公司55所
25
碳化硅集成电路研究取得进展

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
中国电子科技集团公司55所
26
国外发展总结
 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
。
中国电子科技集团公司55所
27
55所的碳化硅工作
中国电子科技集团公司55所
28
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
29
器件
1 device
40
25C
(8.75mm2)
A
30
2
2.6mcm
20
10
0
0.0
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
V
100
600V-30A
A
80
60
40
20
0
0
200
400
600
800
V
中国电子科技集团公司55所
30
应用：续流二极管对IGBT模块的影响

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。
中国电子科技集团公司55所
31
续流二极管对IGBT模块的影响
——IGBT开通
测试条件：
VCC=400V;IC=35A;Rg=27Ω;Tj=125℃.CH1:IC=15A/div;CH2:VCC=100V/div;timebase=200ns/div
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。
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
参数
单位
Si-diode
条件
VCC=400V;IC=35A;VGE=15V;Rg=27Ω,感性负载
Tj=125℃
——IGBT开通
SiC SBD
ns
70
70
tr
ns
50
50
E(on)
mJ
1.0
0.7
Ipeak
A
84
60
td(on)
IGBT 开通特性比较
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
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
34
续流二极管对IGBT模块的影响
——IGBT关断
测试条件：
VCC=400V;IC=35A;Rg=27Ω;Tj=125℃。 CH1:IC=10A/div;CH2:VCC=100V/div;timebase=200ns/div
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。
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
——二极管反向恢复
测试条件：
VCC=400V;IF=-35A;Rg=27Ω;Tj=125℃ CH1:IC=15A/div;CH2:VCC=200V/div;timebase=100ns/div
二极管的反向恢复特性：左图硅二极管，右图碳化硅二极管。
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
——二极管反向恢复
参数
条件
单位
Si-diode SiC-JBS
减小比
例
VCC=400V;IF=35A; Rg=27Ω,感性负载
Tj=125℃
Irr
A
40
14
65％
trr
ns
126
62
51％
Qrr
uC
3.3
0.3
90％
Erec
mJ
0.7
0.07
90%
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。
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
——二极管反向恢复
在不同电流下，两种二极管反向恢复能耗比较。
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
——模块动态总能耗
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）。
中国电子科技集团公司55所
39
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
40
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
41
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，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）
中国电子科技集团公司55所
42
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。
中国电子科技集团公司55所
43
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（2~3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。
中国电子科技集团公司55所
44
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。
中国电子科技集团公司55所
45