陳碩翼1，張麗1，唐明生2，李建福3

　　(1.科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心;2.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所;3.北京鑒衡認(rèn)證中心有限公司)

　　以碳化硅為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體，可在更高溫度、電壓及頻率環(huán)境正常工作，同時(shí)消耗電力更少，持久性和可靠性更強(qiáng)，將為下一代更小體積、更快速度、更低成本、更高效率的電力電子產(chǎn)品提供飛躍的機(jī)遇。本文對(duì)碳化硅電力電子器件技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)進(jìn)行了梳理，并提出了我國進(jìn)一步發(fā)展重點(diǎn)和對(duì)策建議。

　　目前電網(wǎng)技術(shù)正向智能化發(fā)展，碳化硅電力電子器件技術(shù)的進(jìn)步及產(chǎn)業(yè)化，將在高壓電力系統(tǒng)開辟全新應(yīng)用，對(duì)電力系統(tǒng)變革產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。碳化硅電力電子器件優(yōu)異的高效、高壓、高溫和高頻特性，使其在家用電器、電機(jī)節(jié)能、電動(dòng)汽車、智能電網(wǎng)、航天航空、石油勘探、自動(dòng)化、雷達(dá)與通信等領(lǐng)域有很大應(yīng)用潛力。

　　一、關(guān)于碳化硅電力電子器件

　　1. 定義

　　電力電子器件(Power Electronic Device)又稱為功率半導(dǎo)體器件，主要指用于電力設(shè)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(dǎo)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(guān)管。功率二極管包括結(jié)勢(shì)壘肖特基(JBS)二極管、PiN二極管和超結(jié)二極管;功率開關(guān)管主要包括金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)開關(guān)管(MOSFET)、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)開關(guān)管(JFET)、雙極型開關(guān)管(BJT)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)和發(fā)射極可關(guān)斷晶閘管(ETO)等。

　　2. 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

　　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(zhǎng)出來的外延材料。

　　4H-SiC半導(dǎo)體材料禁帶寬度幾乎是硅的三倍，臨界擊穿電場(chǎng)比硅材料高一個(gè)數(shù)量級(jí)，相同結(jié)構(gòu)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(qū)可以更薄，可保證其擁有更小的導(dǎo)通電阻。一般硅器件最高到200℃就會(huì)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(huán)境工作，且具有極好抗輻射性能。

　　SiC電力電子器件的開關(guān)頻率高于同結(jié)構(gòu)硅器件，可大幅降低開關(guān)損耗，大大提高系統(tǒng)效率;在應(yīng)用于功率集成系統(tǒng)時(shí)，SiC器件無反向恢復(fù)、散熱性好的突出特點(diǎn)，可使相關(guān)電路得到優(yōu)化，從而在整體上縮減系統(tǒng)尺寸，減輕系統(tǒng)重量，節(jié)約系統(tǒng)成本。

　　SiC電力電子器件重要系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于其高壓(達(dá)數(shù)萬伏)、高溫(大于500℃)特性，突破了硅器件電壓(數(shù)kV)和溫度(小于200℃)限制所導(dǎo)致的嚴(yán)重系統(tǒng)局限性。

　　3. 應(yīng)用

　　SiC電力電子器件率先在低壓領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，目前商業(yè)產(chǎn)品電壓等級(jí)在600～1700V，已開始替代傳統(tǒng)硅器件。高壓SiC電力電子器件目前已研發(fā)出27kV PiN二極管、10~15kV/≥10A MOSFET、20kV GTO、22kV ETO和27kV的N型IGBT等。

　　當(dāng)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(xiàn)代化的必要技術(shù)。

　　二、國際發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

　　1. 科技政策與戰(zhàn)略規(guī)劃

　　20世紀(jì)80年代以來，美、日、歐等發(fā)達(dá)國家為保持航天、軍事和技術(shù)強(qiáng)國地位，始終將寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)放在極其重要的戰(zhàn)略地位，投入巨資實(shí)施了多項(xiàng)旨在提升裝備系統(tǒng)能力和減小模塊組件體積的技術(shù)開發(fā)計(jì)劃，取得了良好效果。

　　(1)美國。早在1997年制定的“國防與科學(xué)計(jì)劃”中，美國就明確了寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展目標(biāo)。2014年，奧巴馬總統(tǒng)親自主導(dǎo)成立了以SiC為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，全力支持寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)，以引領(lǐng)下一代電力電子制造業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新。該聯(lián)盟目前已獲得聯(lián)邦和地方政府總計(jì)1.4億美元支持，計(jì)劃在未來5年里，使寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)在成本上具有與當(dāng)前硅基電力電子技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的能力，成為下一代節(jié)能、高效大功率電力電子芯片和器件，引領(lǐng)包括消費(fèi)類電子、工業(yè)設(shè)備、通訊、清潔能源等在內(nèi)的，多個(gè)全球最大規(guī)模、最快增長(zhǎng)速度的產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)，全面提升國際競(jìng)爭(zhēng)力并創(chuàng)造高薪就業(yè)機(jī)會(huì)。

　　2016年，美國陸軍資助通用電氣公司(GE)2.1億美元，用一年時(shí)間，采用新型SiC MOSFET器件與GaN器件，實(shí)現(xiàn)15kW、28V/600V的DC-DC雙向整流裝置，預(yù)期使現(xiàn)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(zhàn)能力。

　　(2)日本。從1998年開始，日本政府持續(xù)資助寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)研究。2013年，日本將SiC材料體系納入“首相戰(zhàn)略”，認(rèn)為未來50%的節(jié)能要通過SiC器件來實(shí)現(xiàn)，以便創(chuàng)造清潔能源的新時(shí)代。

　　近幾年，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)制定了一系列關(guān)于SiC材料與器件的國家計(jì)劃，如“國家硬電子計(jì)劃”，主要發(fā)展高能、高速、高功率開關(guān)器件，用于空間、原子能、存儲(chǔ)及信息通訊。2015年NEDO啟動(dòng)了SiC電力電子器件相關(guān)的研究計(jì)劃，重點(diǎn)針對(duì)SiC功率模塊在鐵路機(jī)車電路系統(tǒng)、多樣性電力交換系統(tǒng)、發(fā)電電動(dòng)一體渦輪增壓機(jī)廢熱回收系統(tǒng)、尖端醫(yī)療設(shè)備和加速器小型化等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能、增效的目標(biāo)。

　　(3)歐盟。2014年，歐盟啟動(dòng)為期3年(2014—2017年)的，應(yīng)用于高效電力系統(tǒng)的SiC電力技術(shù)研究計(jì)劃(SPEED)，總投入達(dá)1858萬歐元，7個(gè)國家的12家研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)參與了該計(jì)劃。該計(jì)劃目標(biāo)是通過匯集世界領(lǐng)先的制造商和研究人員來聯(lián)合攻克SiC電力電子器件技術(shù)，突破SiC電力電子器件全產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)在可再生能源領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

　　2015年，德國聯(lián)邦研究部資助卡爾斯魯厄理工學(xué)院和工業(yè)界合作伙伴(資助金額80萬歐元)，開展基于SiC開關(guān)器件提升高頻電源能效的研究，以提升工業(yè)生產(chǎn)中電源的能效，降低能源消耗和減少CO2排放。

　　2. 技術(shù)進(jìn)展

　　隨著SiC外延材料技術(shù)不斷進(jìn)步，主要發(fā)達(dá)國家競(jìng)相發(fā)展SiC電力電子器件技術(shù)。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(zhuǎn)移，SiC器件產(chǎn)品也在向高壓端和大容量端擴(kuò)展。目前JBS二極管、PiN二極管、MOSFET、IGBT、GTO開關(guān)管等SiC器件已實(shí)現(xiàn)10kV以上電壓等級(jí)的樣品，其中單管器件最高電壓達(dá)到27kV以上。

　　SiC電力電子器件的產(chǎn)業(yè)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(chǎng)化的僵局，目前SiC JBS二極管已廣泛應(yīng)用于高端電源市場(chǎng)。Cree、英飛凌、羅姆等公司逐步推出SiC MOSFET、JFET等產(chǎn)品，豐田公司則把SiC MOSFET器件應(yīng)用到電動(dòng)汽車中。2015年，CREE公司推出全球首款全碳化硅功率模塊產(chǎn)品CAS300M17BM2，該產(chǎn)品有能力完全取代現(xiàn)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(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)和并網(wǎng)逆變器等應(yīng)用。

　　三、我國發(fā)展現(xiàn)狀與水平

　　1. SiC單晶材料技術(shù)

　　我國SiC單晶生長(zhǎng)研究起步較晚，但在材料制備方面已取得較大突破。國內(nèi)SiC單晶的研發(fā)始于2000年，主要研究單位有中科院物理研究所、山東大學(xué)、中科院上海硅酸鹽研究所、中電集團(tuán)46所等，均采用PVT法生長(zhǎng)SiC單晶材料。產(chǎn)業(yè)化公司主要有北京天科合達(dá)、山東天岳、河北同光等。

　　在國家支持下，我國SiC單晶技術(shù)發(fā)展迅速，已建立了從生長(zhǎng)、切割、研磨到化學(xué)機(jī)械拋光的完整SiC單晶襯底材料生產(chǎn)線。SiC單晶直徑已達(dá)6英寸，微管密度與國際產(chǎn)品相當(dāng)，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(shí)現(xiàn)電阻率<20mΩ·cm、可用面積超過90%的指標(biāo)，一定程度上滿足國內(nèi)電力電子器件制備的需求。我國SiC單晶襯底質(zhì)量相對(duì)國際先進(jìn)水平還有較大差距，特別是尺寸更大(6～8英寸)、微管和位錯(cuò)密度更低的SiC襯底材料方面，仍有較多基本科學(xué)問題有待深入研究。

　　2. SiC外延材料技術(shù)

　　我國SiC外延材料研發(fā)工作始于“九五”計(jì)劃，材料生長(zhǎng)技術(shù)及器件研究均取得較大進(jìn)展。主要研究單位有中科院半導(dǎo)體研究所、中電集團(tuán)13所和55所、西安電子科技大學(xué)等，產(chǎn)業(yè)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(shí)現(xiàn)商業(yè)化。我國已經(jīng)能夠提供成熟的N型SiC外延層材料產(chǎn)品，可提供各種器件結(jié)構(gòu)材料，滿足3.3kV及以下電壓等級(jí)SiC電力電子器件的研制。但是用于研制10kV及以上電壓等級(jí)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(chǔ)問題需要攻克。

　　3. SiC器件技術(shù)

　　國內(nèi)SiC器件研制起步較晚，2000年以來國內(nèi)多家科研院所開展了相關(guān)研發(fā)工作。2014年，浙江大學(xué)研制出6000V JBS芯片，北京泰科天潤(rùn)研發(fā)出3300V/10A JBS芯片，中電集團(tuán)55所研制成功10kV JBS芯片。浙江大學(xué)聯(lián)合中電集團(tuán)55所和山東大學(xué)等單位，成功研制4500V/100A JBS功率模塊、4500V/50A JFET功率模塊和10kV/200A串聯(lián)功率模塊，縮小了我國與國際領(lǐng)先水平的差距。MOSFET方面，西安電子科技大學(xué)、中科院微電子研究所、中電集團(tuán)55所相繼研制出900V、1200V、1700V和3300V樣品。

　　四、我國進(jìn)一步發(fā)展重點(diǎn)及對(duì)策建議

　　1. 發(fā)展重點(diǎn)

　　我國在SiC材料技術(shù)方面的進(jìn)一步發(fā)展重點(diǎn)為：突破SiC單晶材料大直徑生長(zhǎng)、多型控制、應(yīng)力和位錯(cuò)缺陷降低等關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)出滿足電力電子領(lǐng)域器件性能要求的，6～8英寸SiC單晶襯底制備技術(shù)，解決國產(chǎn)SiC單晶生長(zhǎng)的瓶頸問題。積極推進(jìn)SiC單晶襯底和外延材料產(chǎn)業(yè)化，推進(jìn)設(shè)備制造、生長(zhǎng)與加工、檢測(cè)等技術(shù)全面國產(chǎn)化，促進(jìn)SiC單晶和外延材料實(shí)用化，提高SiC電力電子器件水平。

　　在SiC電力電子器件及其應(yīng)用領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展：中高壓肖特基二極管全面產(chǎn)業(yè)化、MOSFET芯片及模塊技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化、高壓IGBT芯片及模塊技術(shù)開發(fā)、高壓GTO芯片及模塊技術(shù)開發(fā)等。

　　2. 對(duì)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(jià)格較高，影響其普及。隨著技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)企業(yè)逐漸增多，SiC材料與器件價(jià)格有望繼續(xù)降低。除成本外，對(duì)技術(shù)認(rèn)識(shí)不足、缺少器件生產(chǎn)龍頭企業(yè)、器件生產(chǎn)和研發(fā)投入不足等，也是制約我國SiC技術(shù)發(fā)展的原因?；谖覈鳶iC材料和器件的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢(shì)，提出以下幾方面對(duì)策建議：

　　一是組織制定中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃。SiC材料和器件技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，直接關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國家安全和民生，需要上升到國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)高度來培育和發(fā)展。需要依靠國家大力支持，才能在落后國際先進(jìn)水平的情況下奮起直追，打造獨(dú)立自主、具有國際競(jìng)爭(zhēng)力的SiC材料和器件產(chǎn)業(yè)。建議根據(jù)國情和需求，編制“中國碳化硅材料和器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃”，對(duì)SiC材料和器件產(chǎn)業(yè)進(jìn)行有規(guī)劃、分層次、長(zhǎng)期的支持。

　　二是形成以企業(yè)為創(chuàng)新主體的規(guī)?；a(chǎn)業(yè)。我國SiC產(chǎn)業(yè)還處于發(fā)展初期，產(chǎn)業(yè)規(guī)模尚未形成。為應(yīng)對(duì)國際市場(chǎng)日益嚴(yán)峻的競(jìng)爭(zhēng)壓力，我國在產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中應(yīng)以應(yīng)用需求為導(dǎo)向，以盡快形成規(guī)?；a(chǎn)業(yè)為目標(biāo)，以企業(yè)為創(chuàng)新主體，加快制定產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)揮產(chǎn)業(yè)地域效應(yīng)和集群效應(yīng)，盡快實(shí)現(xiàn)SiC材料和器件產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展。

　　三是構(gòu)建“產(chǎn)學(xué)研用”結(jié)合的協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展體系。我國SiC材料和器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須堅(jiān)持自主創(chuàng)新、“產(chǎn)學(xué)研用”相結(jié)合。目前亟需集中力量、突出重點(diǎn)，發(fā)揮科研院所的基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)和關(guān)鍵技術(shù)攻堅(jiān)實(shí)力，并使之與企業(yè)緊密結(jié)合，形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，不斷提高產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平和競(jìng)爭(zhēng)力。建議以企業(yè)為創(chuàng)新主體的同時(shí)，堅(jiān)持大專院校、科研院所和企業(yè)相結(jié)合的科研機(jī)制，加快SiC材料和器件產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

　　四是建設(shè)上下游緊密溝通和合作的完整產(chǎn)業(yè)鏈。國內(nèi)已有一批SiC單晶襯底材料、外延材料、器件設(shè)計(jì)和制造工藝的企事業(yè)單位，但離形成完整產(chǎn)業(yè)鏈尚有較大差距。襯底和外延材料、器件設(shè)計(jì)和制造工藝，以及材料質(zhì)量評(píng)價(jià)和性能驗(yàn)證是環(huán)環(huán)相扣、互相推動(dòng)的統(tǒng)一整體，建議發(fā)揮政策引導(dǎo)作用，建立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，對(duì)襯底材料、外延材料、器件設(shè)計(jì)和制造工藝等產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)進(jìn)行整體支撐，引導(dǎo)各環(huán)節(jié)間實(shí)現(xiàn)資源共享、強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，上下游互相拉動(dòng)和促進(jìn)，形成一個(gè)布局合理、結(jié)構(gòu)完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

　　五是充分發(fā)揮行業(yè)協(xié)會(huì)和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟作用。建議充分發(fā)揮行業(yè)協(xié)會(huì)和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的橋梁和紐帶作用，向政府建言獻(xiàn)策、為企業(yè)出謀劃策，一方面向企業(yè)傳達(dá)政府政策，一方面向政府反映企業(yè)訴求，指導(dǎo)企業(yè)科學(xué)發(fā)展和自主創(chuàng)新，有效進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)我國SiC材料和器件產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

　　本報(bào)告為科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專項(xiàng)項(xiàng)目“重點(diǎn)科技領(lǐng)域發(fā)展熱點(diǎn)跟蹤研究”(編號(hào)：ZLY2015072)研究成果之一。浙江大學(xué)盛況教授、郭清副教授參與了本研究。

　　本文特約編輯：姜念云