国内外碳化硅电力电子器件技术进展.ppt

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1、1国内外碳化硅电力电子进展IC-CHINA2010CETC第五十五研究所李宇柱2010年10月23日2一、碳化硅的市场二、国外技术进展三、我国发展状况四、发展建议内容提要3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。4600V-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

2、LEDTV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。51700V-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。。6高于10kV的碳化硅器件10kV的存取电系统：未来电网有更多

3、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。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。7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

4、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。8材料的来源和质量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

5、，少量被意法半导体等拿到。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II-VI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。DowCorning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

6、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。9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。10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L

7、ED。Cree公司宣称绝不放弃电力电子市场。11国外碳化硅器件研究状况12肖特基二极管（SBD、JBS）开关双极型二极管IGBTSiC电力电子器件整流器PIN单极晶体管双极晶体管MOSFETJFETBJT,GTO国外：多种器件系统研发，其中低功率SBD已经产品化。目前重点开发的器件类型：13美国Cree:MOSFET、BJT、JBS、GTOGE:VDMOS,模拟集成电路Semisouth：JFET、JBS日本Rohm：MOSFETMitsubishi：MOSFETAIST：MOSFETHitachi:JFETDENSO：JBSKEPCO：模块欧洲Infin

8、eon：JBS,JFETBosch：模拟集成电路碳化硅器件开发机构