碳化硅-中國半導體分立器件分會

1、1,國內(nèi)外碳化硅電力電子進展,IC-CHINA 2010CETC第五十五研究所 李宇柱2010年10月23日,2,一、碳化硅的市場二、國外技術(shù)進展三、我國發(fā)展狀況四、發(fā)展建議,內(nèi)容提要,3,碳化硅相比于硅的優(yōu)勢,與硅相比，碳化硅（4H-SiC）具有：10倍以上的臨界電場強度 3倍禁帶寬度3倍的熱導率,,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

2、個器件更高的電壓（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。,4,600V-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）、太陽能逆變器。 等開關(guān)器件量產(chǎn)之后，將引領(lǐng)另一波增長，比如混合電動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%（同時滿足）,非常適合在空間飛行器、飛機上的應(yīng)用。,5,1700

3、V-6500V的碳化硅器件,比如風力發(fā)電、電力機車。 2020年歐洲風能增加6倍，每個5兆瓦的風力發(fā)電機需要160兆瓦的電力電子器件，市場巨大。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)：未來電網(wǎng)有更多的分布式新能源（太陽能，風能。。。），需要儲存電能。降壓，儲存，升壓這一個來回，SiC可以節(jié)能10%，并且去除

4、笨重的60hz變壓器。HVDC：中國西電東輸。挪威的海上石油平臺，歐洲海上風電場需要長距離高壓輸電。需要20kV或更高電壓的碳化硅器件。,7,低電壓市場爆發(fā)增長，高壓器件將陸續(xù)出貨,1.第一波市場是肖特基二極管：2008銷售額達2300萬美元，2010年已達1億美元。（2010財政年度,2010年7月為止）。去年Cree 二極管銷售增長120%。2005年以來平均68%的年增長率。2.器件價格不斷下降。從2007年到2010年， C

5、ree的碳化硅二極管價格降了3倍。這是通過三方面的措施實現(xiàn)的：增大晶圓、提高材料質(zhì)量和工藝水平、擴大規(guī)模。Cree于07年，英飛凌于08年轉(zhuǎn)為4寸生產(chǎn)線。為了進一步降低器件成本，Cree在2010年歐洲碳化硅會議上發(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)更大的市場增長。4.Cree已經(jīng)推出1700V 二

6、極管。市場拓展到馬達驅(qū)動領(lǐng)域。,8,材料的來源和質(zhì)量,2009年的統(tǒng)計，英飛凌和Cree每月各需要1500片4寸片。 Cree的4寸導電襯底基本被Cree和英飛凌瓜分，少量被意法半導體等拿到。大市場和壟斷、高利潤不可能并存，市場有巨大的擴產(chǎn)、降價和增大晶圓的壓力。今年更多的供應(yīng)商開始提供4英寸高質(zhì)量襯底。比如II-VI半年內(nèi)產(chǎn)能擴大到3倍，5年內(nèi)襯底產(chǎn)量增到9倍（絕大部分來自電力電子襯底）。 II-VI公司準備明年發(fā)布6英寸。Dow

7、Corning 大踏步進入襯底和外延市場。預(yù)計5年后，健全的6英寸產(chǎn)業(yè)鏈將打開白色家電的市場。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)計外延很快有大幅度的改良。東京電子20

8、10年歐洲碳化硅會議上發(fā)布了碳化硅外延設(shè)備：6x6英寸。,9,節(jié)能減排的大背景,2005年全世界碳排放28萬億噸，如果不采取措施，2050年會達到65萬億噸。采取積極措施之后，可以降到14 萬億噸，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,因為照明（包括LED），只占20%的電能應(yīng)用。80%的電能用

9、于馬達、電源。盡管Cree目前85%的利潤來自LED。Cree公司宣稱絕不放棄電力電子市場。,11,國外碳化硅器件研究狀況,12,國外：多種器件系統(tǒng)研發(fā)，其中低功率SBD已經(jīng)產(chǎn)品化。,目前重點開發(fā)的器件類型：,13,美國 Cree: MOSFET、BJT、JBS、GTO GE: VDMOS, 模擬集成電路 Semisouth：JFET、JBS 日本 Rohm：MOSFET

10、 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)機構(gòu)列舉,14,碳化硅單極器件,15,美國Cree和德國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600V，1200V，1700V多個系列，正向電流最高達5

11、0A。目前國外已經(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

12、晶圓上制作的10kV/20A 肖特基 二極管。芯片面積達到 15mm x 11mm。,18,碳化硅高壓MOSFET,Cree在3英寸晶圓上制作的10kV/20A MOSFET。芯片面積超過 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，碳化硅可以實現(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

13、英寸晶圓上制作的20kV/10A PIN 二極管,21,碳化硅IGBT,Cree公司報告了一個碳化硅n溝道IGBT，其特征電阻22m?cm2，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GTO,2009年Cree公司報告了一個大面積碳化硅GTO， N型襯底。,23,碳化硅GTO,Cree公司的9kV GTO，單芯片電流400A,24

14、,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。,25,碳化硅高溫集成電路,26,GE：NMOS OPAMP，室溫增益=60dB，300 ℃增益=57.9dB 。地熱發(fā)電，發(fā)動機燃燒控制。。。Bosch：NMOS， 汽車尾氣探測，400 ℃。NASA：JFET集成電路，500 ℃,4k小時可靠性測試?，F(xiàn)在正在空間站運行。Raytheon：CMOS,碳化硅集成電路研究取得進展,27

15、,10kV以下的器件會陸續(xù)上市場。>20kV的器件方面，外延材料是研究熱點。集成電路開始成為研究熱點。耐高溫和高壓器件的封裝測試問題開始受到重視。,國外發(fā)展總結(jié),28,55所的碳化硅工作,29,外延,生長的10微米外延薄膜表面原子力圖像.,30,器件,,,31,因為電力電子器件工作時自發(fā)熱較多，額定工作結(jié)溫一般在125℃。 所以室溫測試對于電力電子器件來說意義不大，所有測試都是在結(jié)溫125℃下進行。 和硅二極管對比。硅

16、二極管是國際整流器公司的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IGBT模塊的影響,32,續(xù)流二極管對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，減少了EMC。,測試條件：VCC=400V;IC=35A;Rg=27?;Tj=125℃.CH1:IC=15A/div;CH2:VCC=100V/div;

17、timebase=200ns/div,——IGBT開通,33,續(xù)流二極管對IGBT模塊的影響,——IGBT開通,IGBT 開通特性比較,34,續(xù)流二極管對IGBT模塊的影響,——IGBT開通,在不同電流下，和兩種二極管配對的IGBT開通能耗比較。,35,續(xù)流二極管對IGBT模塊的影響,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。,測試條件：VCC=400V;IC=35A;Rg=27?;Tj=125℃。 CH1:I

18、C=10A/div;CH2:VCC=100V/div;timebase=200ns/div,——IGBT關(guān)斷,36,續(xù)流二極管對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IGBT模塊的影響,

19、35A下，二極管反向恢復(fù)特性比較。另外，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，過電壓從160V（40%過電壓）下降為40V（10%過電壓），提高了模塊的可靠性。,——二極管反向恢復(fù),38,續(xù)流二極管對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IGBT模塊的影響,35A電流下，兩種600V IGBT模塊動態(tài)能耗比較。和國外產(chǎn)品報道相當（參見C

20、ree公司產(chǎn)品介紹）。,——模塊動態(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,國內(nèi)的碳化硅現(xiàn)狀,國內(nèi)對碳化硅很熟悉：各個大學普遍都有國外公司送的碳化硅器件樣品。國內(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）離國外有很大距離。單晶：天科合達，46所，神舟，硅酸鹽所外

21、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，海軍工程大學用戶：國網(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碳化硅電力電子的國家科研項目。今年海軍工程大學和國家電網(wǎng)先后組織過碳化硅研討會，碳化硅逐漸擴大影響。根據(jù)國外的發(fā)展速度來看，我們現(xiàn)在如不下決心投入，會失去機會。,44,國內(nèi)發(fā)

22、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）盡快實現(xiàn)開關(guān)器件和高壓器件的突破。要趕在國外6英寸大規(guī)模生產(chǎn)之前（2~3年）完成技術(shù)積累。 國外是通過國家項目支持，然后快速產(chǎn)業(yè)化。我們需要國家投入，需要產(chǎn)學研的合作，需要材料、器件和封裝產(chǎn)業(yè)鏈的合作。,45,,李宇柱，男（漢族），1975年生，1999年9月畢 業(yè)于北京清華大學電子系微電子專業(yè)，獲學士學位。 2008年1月畢業(yè)于美國Rutgers