碳化硅-中國(guó)半導(dǎo)體分立器件分會(huì)課件

1、1國(guó)內(nèi)外碳化硅電力電子進(jìn)展IC-CHINA 2010CETC第五十五研究所 李宇柱2010年10月23日2一、碳化硅的市場(chǎng)二、國(guó)外技術(shù)進(jìn)展三、我國(guó)發(fā)展?fàn)顩r四、發(fā)展建議內(nèi)容提要3碳化硅相比于硅的優(yōu)勢(shì)與硅相比，碳化硅（4H-SiC）具有：10倍以上的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度 3倍禁帶寬度3倍的熱導(dǎo)率 工作于更高的溫度和輻射環(huán)境更高的系統(tǒng)效率（損耗降低1/2）芯片面積1/5工作頻率高， 10kV器件20kHz單個(gè)器件更高的電壓（20kV以上）可減小體積和重量：減少或免除水冷，免除笨重的50Hz變壓器。4600V-1200V 的碳化硅器件節(jié)能，高頻的SiC二極管，目前用于高效電源（包括LED TV的電源）、太陽(yáng)能

2、逆變器。 等開關(guān)器件量產(chǎn)之后，將引領(lǐng)另一波增長(zhǎng)，比如混合電動(dòng)汽車可可以取消一路制冷，省油10%。比如5kW的 inverter，比硅系統(tǒng)小7倍，輕8倍，節(jié)能20%（同時(shí)滿足）,非常適合在空間飛行器、飛機(jī)上的應(yīng)用。51700V-6500V的碳化硅器件比如風(fēng)力發(fā)電、電力機(jī)車。 2020年歐洲風(fēng)能增加6倍，每個(gè)5兆瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要160兆瓦的電力電子器件，市場(chǎng)巨大。在這種更高電壓，更大功率的應(yīng)用中，碳化硅器件節(jié)能，高頻優(yōu)勢(shì)更加明顯。Cree已經(jīng)推出1700V，25A二極管產(chǎn)品。 。6高于10kV的碳化硅器件10kV的存取電系統(tǒng)：未來(lái)電網(wǎng)有更多的分布式新能源（太陽(yáng)能，風(fēng)能。），需要儲(chǔ)存電能。降壓，儲(chǔ)

3、存，升壓這一個(gè)來(lái)回，SiC可以節(jié)能10%，并且去除笨重的60hz變壓器。HVDC：中國(guó)西電東輸。挪威的海上石油平臺(tái)，歐洲海上風(fēng)電場(chǎng)需要長(zhǎng)距離高壓輸電。需要20kV或更高電壓的碳化硅器件。7低電壓市場(chǎng)爆發(fā)增長(zhǎng)，高壓器件將陸續(xù)出貨1.第一波市場(chǎng)是肖特基二極管：2008銷售額達(dá)2300萬(wàn)美元，2010年已達(dá)1億美元。（2010財(cái)政年度,2010年7月為止）。去年Cree 二極管銷售增長(zhǎng)120%。2005年以來(lái)平均68%的年增長(zhǎng)率。2.器件價(jià)格不斷下降。從2007年到2010年， Cree的碳化硅二極管價(jià)格降了3倍。這是通過(guò)三方面的措施實(shí)現(xiàn)的：增大晶圓、提高材料質(zhì)量和工藝水平、擴(kuò)大規(guī)模。Cree于07

4、年，英飛凌于08年轉(zhuǎn)為4寸生產(chǎn)線。為了進(jìn)一步降低器件成本，Cree在2010年歐洲碳化硅會(huì)議上發(fā)布6英寸襯底, 一年后量產(chǎn)。同樣的外延爐，6寸比4寸增加50%的有效面積。3. 英飛凌在2010年歐洲碳化硅會(huì)議上宣布，2011年量產(chǎn)碳化硅開關(guān)器件（JFET）。這將引領(lǐng)更大的市場(chǎng)增長(zhǎng)。4.Cree已經(jīng)推出1700V 二極管。市場(chǎng)拓展到馬達(dá)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。8材料的來(lái)源和質(zhì)量2009年的統(tǒng)計(jì)，英飛凌和Cree每月各需要1500片4寸片。 Cree的4寸導(dǎo)電襯底基本被Cree和英飛凌瓜分，少量被意法半導(dǎo)體等拿到。大市場(chǎng)和壟斷、高利潤(rùn)不可能并存，市場(chǎng)有巨大的擴(kuò)產(chǎn)、降價(jià)和增大晶圓的壓力。今年更多的供應(yīng)商開始提供4

5、英寸高質(zhì)量襯底。比如II-VI半年內(nèi)產(chǎn)能擴(kuò)大到3倍，5年內(nèi)襯底產(chǎn)量增到9倍（絕大部分來(lái)自電力電子襯底）。 II-VI公司準(zhǔn)備明年發(fā)布6英寸。Dow Corning 大踏步進(jìn)入襯底和外延市場(chǎng)。預(yù)計(jì)5年后，健全的6英寸產(chǎn)業(yè)鏈將打開白色家電的市場(chǎng)。3. 材料的質(zhì)量： 材料供應(yīng)商面臨很大的壓力提供零微管襯底。這是大電流器件必需的條件。 現(xiàn)在不僅Cree，II-VI，DowCorning已經(jīng)具有零微管技術(shù)。 現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)是降低外延的缺陷：目前最好的外延缺陷水平0.7/cm2，已經(jīng)大于襯底的缺陷密度，成為瓶頸。預(yù)計(jì)外延很快有大幅度的改良。東京電子2010年歐洲碳化硅會(huì)議上發(fā)布了碳化硅外延設(shè)備：6x6英寸

6、。 9節(jié)能減排的大背景2005年全世界碳排放28萬(wàn)億噸，如果不采取措施，2050年會(huì)達(dá)到65萬(wàn)億噸。采取積極措施之后，可以降到14 萬(wàn)億噸，最重要的措施是：1.新能源：可以降低21%的碳排放。2.節(jié)省用電：高效用電技術(shù)可以減少24%的碳排放。碳化硅電力電子在以上兩方面都有重要應(yīng)用。10節(jié)能方面比LED更有潛力因?yàn)檎彰鳎ò↙ED），只占20%的電能應(yīng)用。80%的電能用于馬達(dá)、電源。盡管Cree目前85%的利潤(rùn)來(lái)自LED。Cree公司宣稱絕不放棄電力電子市場(chǎng)。11 國(guó)外碳化硅器件研究狀況12肖特基二極管（SBD、JBS）開關(guān) 雙極型二極管 IGBTSiC電力電子器件整流器PIN單極晶體管雙極晶體

7、管MOSFETJFETBJT,GTO國(guó)外：多種器件系統(tǒng)研發(fā)，其中低功率SBD已經(jīng)產(chǎn)品化。目前重點(diǎn)開發(fā)的器件類型：13美國(guó) Cree: MOSFET、BJT、JBS、GTO GE: VDMOS, 模擬集成電路 Semisouth：JFET、JBS 日本 Rohm：MOSFET Mitsubishi：MOSFET AIST：MOSFET Hitachi: JFET DENSO：JBS KEPCO：模塊歐洲 Infineon ：JBS, JFET Bosch：模擬集成電路碳化硅器件開發(fā)機(jī)構(gòu)列舉14碳化硅單極器件15美國(guó)Cree和德國(guó)英飛凌等多家公司能夠提供碳化硅 SBD的系列產(chǎn)品，其中反向耐壓有60

8、0V，1200V，1700V多個(gè)系列，正向電流最高達(dá)50A。目前國(guó)外已經(jīng)淘汰了2英寸碳化硅晶圓，目前主流是3英寸。英飛凌、Cree已經(jīng)開始采用4英寸生產(chǎn)線。英飛凌2005年開始推出第二代碳化硅SBD：JBS二極管。碳化硅肖特基二極管產(chǎn)業(yè)發(fā)展16碳化硅MOSFET：研發(fā)階段日本Rohm公司在3英寸晶圓上制作的1200V/20A MOSFET， 碳化硅MOSFET和SBD組成的IPM模塊。17碳化硅高壓肖特基二極管Cree 10kV 20A SiC 模塊Cree在3英寸晶圓上制作的10kV/20A 肖特基 二極管。芯片面積達(dá)到 15mm x 11mm。18碳化硅高壓MOSFETCree在3英寸晶圓

9、上制作的10kV/20A MOSFET。芯片面積超過(guò) 8mm x 8mm。19碳化硅雙極器件雙極型碳化硅器件是高功率器件的未來(lái)，碳化硅可以實(shí)現(xiàn)20kV以上的二極管、晶閘管、IGBT。目前已經(jīng)有零微管4英寸單晶技術(shù)和超過(guò)200um的厚外延技術(shù)。瓶頸是外延質(zhì)量。20碳化硅PIN二極管Cree在2英寸晶圓上制作的20kV/10A PIN 二極管21碳化硅IGBTCree公司報(bào)告了一個(gè)碳化硅n溝道IGBT，其特征電阻22mcm2，反向抵抗13kV。其特征電阻比13kV碳化硅單極器件低了大概10倍！展示了碳化硅材料提供高功率的潛力。但是碳化硅IGBT的技術(shù)難度很大。22碳化硅GTO2009年Cree公司

10、報(bào)告了一個(gè)大面積碳化硅GTO， N型襯底。23碳化硅GTOCree公司的9kV GTO，單芯片電流400A24碳化硅GTO 20kV器件。提高少子壽命和減少BPD缺陷至關(guān)重要，是目前外延技術(shù)研究的熱點(diǎn)。25碳化硅高溫集成電路26GE：NMOS OPAMP，室溫增益=60dB，300 增益=57.9dB 。地?zé)岚l(fā)電，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒控制。Bosch：NMOS， 汽車尾氣探測(cè)，400 。NASA：JFET集成電路，500 ,4k小時(shí)可靠性測(cè)試?，F(xiàn)在正在空間站運(yùn)行。Raytheon：CMOS碳化硅集成電路研究取得進(jìn)展2710kV以下的器件會(huì)陸續(xù)上市場(chǎng)。20kV的器件方面，外延材料是研究熱點(diǎn)。集成電路開始成

11、為研究熱點(diǎn)。耐高溫和高壓器件的封裝測(cè)試問題開始受到重視。國(guó)外發(fā)展總結(jié)2855所的碳化硅工作29外延生長(zhǎng)的10微米外延薄膜表面原子力圖像. 30器件600V-30A31因?yàn)殡娏﹄娮悠骷ぷ鲿r(shí)自發(fā)熱較多，額定工作結(jié)溫一般在125。 所以室溫測(cè)試對(duì)于電力電子器件來(lái)說(shuō)意義不大，所有測(cè)試都是在結(jié)溫125下進(jìn)行。 和硅二極管對(duì)比。硅二極管是國(guó)際整流器公司的600V-30A超快二極管：IRGP30B60KD。碳化硅二極管是我們的600V-30A SiC JBS。應(yīng)用：續(xù)流二極管對(duì)IGBT模塊的影響32續(xù)流二極管對(duì)IGBT模塊的影響IGBT的開通特性：左圖硅二極管，右圖碳化硅二極管。減少了IGBT電流尖峰，減

12、少了EMC。測(cè)試條件：VCC=400V;IC=35A;Rg=27;Tj=125.CH1:IC=15A/div;CH2:VCC=100V/div;timebase=200ns/divIGBT開通33續(xù)流二極管對(duì)IGBT模塊的影響IGBT開通參數(shù)單位Si-diodeSiC SBD條件VCC=400V;IC=35A;VGE=15V;Rg=27,感性負(fù)載Tj=125 td(on)ns7070trns5050E(on)mJ1.00.7IpeakA8460IGBT 開通特性比較34續(xù)流二極管對(duì)IGBT模塊的影響IGBT開通在不同電流下，和兩種二極管配對(duì)的IGBT開通能耗比較。 35續(xù)流二極管對(duì)IGBT模塊

13、的影響IGBT的關(guān)斷特性：左圖硅二極管，右圖碳化硅二極管?；緵]有差別。測(cè)試條件：VCC=400V;IC=35A;Rg=27;Tj=125。 CH1:IC=10A/div;CH2:VCC=100V/div;timebase=200ns/divIGBT關(guān)斷36續(xù)流二極管對(duì)IGBT模塊的影響二極管的反向恢復(fù)特性：左圖硅二極管，右圖碳化硅二極管。測(cè)試條件：VCC=400V;IF=-35A;Rg=27;Tj=125 CH1:IC=15A/div;CH2:VCC=200V/div;timebase=100ns/div二極管反向恢復(fù)37續(xù)流二極管對(duì)IGBT模塊的影響35A下，二極管反向恢復(fù)特性比較。另外，

14、碳化硅二極管的軟度比硅二極管高，所以電壓尖峰從560V下降到440V，過(guò)電壓從160V（40%過(guò)電壓）下降為40V（10%過(guò)電壓），提高了模塊的可靠性。 參數(shù)單位Si-diodeSiC-JBS減小比例條件VCC=400V;IF=35A; Rg=27,感性負(fù)載Tj=125IrrA401465trrns1266251QrruC3.30.390ErecmJ0.70.0790%二極管反向恢復(fù)38續(xù)流二極管對(duì)IGBT模塊的影響在不同電流下，兩種二極管反向恢復(fù)能耗比較。 二極管反向恢復(fù)39續(xù)流二極管對(duì)IGBT模塊的影響35A電流下，兩種600V IGBT模塊動(dòng)態(tài)能耗比較。和國(guó)外產(chǎn)品報(bào)道相當(dāng)（參見Cree公

15、司產(chǎn)品介紹）。 模塊動(dòng)態(tài)總能耗40需要解決的問題兩種600V 二極管正向特性比較。SiC芯片面積 受到目前工藝所限，因此SiC二極管正向壓降較大。41國(guó)內(nèi)的碳化硅現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)對(duì)碳化硅很熟悉：各個(gè)大學(xué)普遍都有國(guó)外公司送的碳化硅器件樣品。國(guó)內(nèi)有電源廠家用碳化硅肖特基二極管。42碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈健全，核心技術(shù)落后國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈比較健全，基礎(chǔ)技術(shù)（單晶，外延和器件）離國(guó)外有很大距離。單晶：天科合達(dá)，46所，神舟，硅酸鹽所外延：中科院，西電，13所，55所器件：西電，13所，55所，南車封裝： 13所，55所，南車電路應(yīng)用：清華，浙大，南航，海軍工程大學(xué)用戶：國(guó)網(wǎng)，南車（筆者信息有限，如有遺漏，特此致歉）43未受到重視研究處于小規(guī)模和分散狀態(tài)。至今還沒有上馬針對(duì)碳化硅電力電子的國(guó)家科研項(xiàng)目。今年海軍工程大學(xué)和國(guó)家電網(wǎng)先后組織過(guò)碳化硅研討會(huì)，碳化硅逐漸擴(kuò)大影響。根據(jù)國(guó)外的發(fā)展速度來(lái)看，我們現(xiàn)在如不下決心投入，會(huì)失去機(jī)會(huì)。44國(guó)內(nèi)發(fā)展建議： （1）盡快提高二極管器件的性能，形成小批量生產(chǎn)和送樣能力。（2）盡快實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件和高壓器件的突破。要趕在國(guó)外6英