碳化硅電力電子發展現狀與趨勢

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目前電網技術正向智能化發展，碳化硅電力電子器件技術的進步及產業化，將在高壓電力系統開辟全新應用，對電力系統變革產生深遠影響。碳化硅電力電子器件優異的高效、高壓、高溫和高頻特性，使其在家用電器、電機節能、電動汽車、智能電網、航天航空、石油勘探、自動化、雷達與通信等領域有很大應用潛力。

一、關于碳化硅電力電子器件

1.定義電力電子器件（PowerElectronicDevice）又稱為功率半導體器件，主要指用于電力設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管。功率二極管包括結勢壘肖特基（JBS）二極管、PiN二極管和超結二極管；功率開關管主要包括金屬氧化物半導體場效應開關管（MOSFET）、結型場效應開關管（JFET）、雙極型開關管（BJT）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、門極可關斷晶閘管（GTO）和發射極可關斷晶閘管（ETO）等。2.技術優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。是硅的三倍，臨界擊穿電場比硅材料高一個數量級，相同結構下，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℃以上高溫環境工作，且具有極好抗輻射性能。SiC電力電子器件的開關頻率高于同結構硅器件，可大幅降低開關損耗，大大提高系統效率；在應用于功率集成系統時，SiC器件無反向恢復、散熱性好的突出特點，可使相關電路得到優化，從而在整體上縮減系統尺寸，減輕系統重量，節約系統成本。SiC電力電子器件重要系統優勢在于其高壓（達數萬伏）、高溫（大于500℃）特性，突破了硅器件電壓（數kV）和溫度（小于200℃）限制所導致的嚴重系統局限性。3.應用SiC電力電子器件率先在低壓領域實現產業化，目前商業產品電壓等級在600～1700V，已開始替代傳統硅器件。高壓SiC電力電子器件目前已研發出27kVPiN二極管、10~15kV/≥10AMOSFET、20kVGTO、22kVETO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代化的必要技術。

二、國際發展現狀與趨勢

1.科技政策與戰略規劃20世紀80年代以來，美、日、歐等發達國家為保持航天、軍事和技術強國地位，始終將寬禁帶半導體技術放在極其重要的戰略地位，投入巨資實施了多項旨在提升裝備系統能力和減小模塊組件體積的技術開發計劃，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展目標。2014年，奧巴馬總統親自主導成立了以SiC為代表的第三代寬禁帶半導體產業聯盟，全力支持寬禁帶半導體技術，以引領下一代電力電子制造業的技術創新。該聯盟目前已獲得聯邦和地方政府總計1.4億美元支持，計劃在未來5年里，使寬禁帶半導體技術在成本上具有與當前硅基電力電子技術競爭的能力，成為下一代節能、高效大功率電力電子芯片和器件，引領包括消費類電子、工業設備、通訊、清潔能源等在內的，多個全球最大規模、最快增長速度的產業市場，全面提升國際競爭力并創造高薪就業機會。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SiCMOSFET器件與GaN器件，實現15kW、28V/600V的DC-DC雙向整流裝置，預期使現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能力。（2）日本。從1998年開始，日本政府持續資助寬禁帶半導體技術研究。2013年，日本將SiC材料體系納入“首相戰略”，認為未來50%的節能要通過SiC器件來實現，以便創造清潔能源的新時代。近幾年，日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）制定了一系列關于SiC材料與器件的國家計劃，如“國家硬電子計劃”，主要發展高能、高速、高功率開關器件，用于空間、原子能、存儲及信息通訊。2015年NEDO啟動了SiC電力電子器件相關的研究計劃，重點針對SiC功率模塊在鐵路機車電路系統、多樣性電力交換系統、發電電動一體渦輪增壓機廢熱回收系統、尖端醫療設備和加速器小型化等領域的應用進行研究，以實現節能、增效的目標。（3）歐盟。2014年，歐盟啟動為期3年（2014—2017年）的，應用于高效電力系統的SiC電力技術研究計劃（SPEED），總投入達1858萬歐元，7個國家的12家研究機構和企業參與了該計劃。該計劃目標是通過匯集世界領先的制造商和研究人員來聯合攻克SiC電力電子器件技術，突破SiC電力電子器件全產業鏈的技術瓶頸，實現在可再生能源領域的廣泛應用。2015年，德國聯邦研究部資助卡爾斯魯厄理工學院和工業界合作伙伴（資助金額80萬歐元），開展基于SiC開關器件提升高頻電源能效的研究，以提升工業生產中電源的能效，降低能源消耗和減少CO2排放。2.技術進展隨著SiC外延材料技術不斷進步，主要發達國家競相發展SiC電力電子器件技術。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移，SiC器件產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開關管等SiC器件已實現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電力電子器件的產業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SiCJBS二極管已廣泛應用于高端電源市場。Cree、英飛凌、羅姆等公司逐步推出SiCMOSFET、JFET等產品，豐田公司則把SiCMOSFET器件應用到電動汽車中。2015年，CREE公司推出全球首款全碳化硅功率模塊產品CAS300M17BM2，該產品有能力完全取代現有額定電流為400A或更高的硅基IGBT模塊，非常適用于高功率電機驅動開關和并網逆變器等應用。

三、我國發展現狀與水平

1.SiC單晶材料技術我國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SiC單晶的研發始于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。產業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單晶技術發展迅速，已建立了從生長、切割、研磨到化學機械拋光的完整SiC單晶襯底材料生產線。SiC單晶直徑已達6英寸，微管密度與國際產品相當，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，已實現電阻率<20mΩ•cm、可用面積超過90%的指標，一定程度上滿足國內電力電子器件制備的需求。我國SiC單晶襯底質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外延材料技術我國SiC外延材料研發工作始于“九五”計劃，材料生長技術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，產業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，且基本實現商業化。我國已經能夠提供成熟的N型SiC外延層材料產品，可提供各種器件結構材料，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，尚有一些基礎問題需要攻克。3.SiC器件技術國內SiC器件研制起步較晚，2000年以來國內多家科研院所開展了相關研發工作。2014年，浙江大學研制出6000VJBS芯片，北京泰科天潤研發出3300V/10AJBS芯片，中電集團55所研制成功10kVJBS芯片。浙江大學聯合中電集團55所和山東大學等單位，成功研制4500V/100AJBS功率模塊、4500V/50AJFET功率模塊和10kV/200A串聯功率模塊，縮小了我國與國際領先水平的差距。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、我國進一步發展重點及對策建議

1.發展重點我國在SiC材料技術方面的進一步發展重點為：突破SiC單晶材料大直徑生長、多型控制、應力和位錯缺陷降低等關鍵技術，開發出滿足電力電子領域器件性能要求的，6～8英寸SiC單晶襯底制備技術，解決國產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業化，推進設備制造、生長與加工、檢測等技術全面國產化，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用領域重點發展：中高壓肖特基二極管全面產業化、MOSFET芯片及模塊技術開發及產業化、高壓IGBT芯片及模塊技術開發、高壓GTO芯片及模塊技術開發等。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。隨著技術進步和生產企業逐漸增多，SiC材料與器件價格有望繼續降低。除成本外，對技術認識不足、缺少器件生產龍頭企業、器件生產和研發投入不足等，也是制約我國SiC技術發展的原因。基于我國SiC材料和器件的現狀和未來發展趨勢，提出以下幾方面對策建議：一是組織制定中長期發展規劃。SiC材料和器件技術及其產業，直接關系到國家經濟發展、國家安全和民生，需要上升到國家戰略性新興產業高度來培育和發展。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材料和器件產業。建議根據國情和需求，編制“中國碳化硅材料和器件產業發展中長期規劃”，對SiC材料和器件產業進行有規劃、分層次、長期的支持。二是形成以企業為創新主體的規模化產業。我國SiC產業還處于發展初期，產業規模尚未形成。為應對國際市場日益嚴峻的競爭壓力，我國在產業發展過程中應以應用需求為導向，以盡快形成規模化產業為目標，以企業為創新主體，加快制定產業標準，發揮產業地域效應和集群效應，盡快實現SiC材料和器件產業規模化發展。三是構建“產學研用”結合的協同創新發展體系。我國SiC材料和器件產業發展必須堅持自主創新、“產學研用”相結合。目前亟需集中力量、突出重點，發揮科研院所的基礎技術研發和關鍵技術攻堅實力，并使之與企業緊密結合，形成自主知識產權，不斷提高產業技術水平和競爭力。建議以企業為創新主體的同時，堅持大專院校、科研院所和企業相結合的科研機制，加快SiC材料和器件產業化進程。四是建設上下游緊密溝通和合作的完整產業鏈。國內已有一批SiC單晶襯底材料、外延材料、器件設計和制造工藝的企事業單位，但離形成完整產業鏈尚有較大差距。襯底和外延材料、器件設計和制造工藝，以及材料質量評價和性能驗證是環環相扣、互相推動的統一整體，建議發揮政策引導作用，建立產業聯盟，對襯底材料、外延材料、器件設計和制造工藝等產業鏈各環節進行整體支撐，引導各環節間實現資源共享、強強聯合，上下游互相拉動和促進，形成一個布局合理、結構完整的產業鏈。五是充分發揮行業協會和產業聯盟作用。建議充分發揮行業協會和產業聯盟的橋梁和紐帶作用，向政府建言獻策、為企業出謀劃策，一方面向企業傳達政府政策，一方面向政府反映企業訴求，指導企業科學發展和自主創新，有效進行結構調整，實現我國SiC材料和器件產業的可持續發展。

作者:陳碩翼 張麗 唐明生 李建福 單位:1. 科技部高技術研究發展中心；2. 中國科學院理化技術研究所；3. 北京鑒衡認證中心有限公司