中低壓碳化硅材料、器件及其在電動汽車充電設備中的應用示范

盛 況, 郭 清*, 于坤山, 丁曉偉

(1. 浙江大學 電氣工程學院， 浙江 杭州 310027； 2. 北京國聯(lián)萬眾半導體科技有限公司，北京101300； 3. 北京華商三優(yōu)新能源科技有限公司， 北京 101106)

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中低壓碳化硅材料、器件及其在電動汽車充電設備中的應用示范

盛 況1, 郭 清1*, 于坤山2, 丁曉偉3

(1. 浙江大學 電氣工程學院， 浙江 杭州 310027； 2. 北京國聯(lián)萬眾半導體科技有限公司，北京101300； 3. 北京華商三優(yōu)新能源科技有限公司， 北京 101106)

碳化硅(SiC)電力電子器件的高壓、高溫和高頻率特性，使其成為理想的電動汽車充電設備器件，將顯著提升電動汽車充電設備的效率和功率密度.開展中低壓SiC材料、器件及其在電動汽車充電設備中的示范應用，不僅有利于加快建立我國自主的碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈，而且有助于提高我國電動汽車充電設備的核心競爭力.

碳化硅；電動汽車；充電

《國務院辦公廳關于加快電動汽車充電基礎設施建設的指導意見》指出，“大力推進充電基礎設施建設，有利于解決電動汽車充電難題，是發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)的重要保障”“堅持以純電驅動為新能源汽車發(fā)展的主要戰(zhàn)略取向，將充電基礎設施建設放在更加重要的位置”.開展中低壓SiC材料、器件及其在電動汽車充電設備中的應用示范研究，將解決電動汽車充電設備體積大、能效低、高溫環(huán)境下應用可靠性低等問題，提升我國在電動汽車充電設備關鍵技術領域的地位，推動碳化硅電力電子技術的實用化，以實現(xiàn)技術升級和產(chǎn)學研合作雙豐收，為國家的科技創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略服務.

2016年，科技部在國家重點研發(fā)計劃“戰(zhàn)略性先進電子材料”重點專項中布局了“SiC電力電子材料、器件與模塊及在電力傳動和電力系統(tǒng)的應用示范”項目.該項目在國內碳化硅領域掀起了一股席卷全行業(yè)的巨浪，無論是身處基礎研究和技術攻關的科研人員，還是致力于產(chǎn)品開發(fā)和市場開拓的企業(yè)，無不深感振奮，因為，這不僅僅是一個面向技術攻關的科研項目，而且是一個包含碳化硅所有環(huán)節(jié)的全技術鏈，是建設我國碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈的重大舉措.該項目不僅立足高遠，在基礎研究突破和關鍵技術攻關方面大力投入，而且重視落地，對碳化硅上下游技術鏈、產(chǎn)業(yè)鏈的銜接提出了更高的要求和期待.

本項目由北京華商三優(yōu)新能源科技有限公司牽頭，該公司在充電設施開發(fā)、建設和運營方面具有扎實的科研實力和豐富的經(jīng)驗，已建成充電站近400座、充電樁10 000個.截至2015年，該公司已獲授權專利33項，軟件著作權3項，其中項目“電動汽車充電基礎設施關鍵技術與工程應用”獲得了2015年中國汽車工業(yè)科學技術一等獎。

1 國內研究現(xiàn)狀

碳化硅(SiC)作為第3代半導體材料的代表，具有優(yōu)越的物理性能，以其研制的電力電子器件，相對于傳統(tǒng)的硅器件，具有高壓、高溫、高頻等優(yōu)良特性.電動汽車充電基礎設施是新能源汽車產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，其中充電設備及其電力電子材料和器件是產(chǎn)業(yè)的基礎技術.采用碳化硅電力電子器件，將顯著提升電動汽車充電設備的效率和功率密度，是未來電動汽車充電設備的核心競爭力.

美國、日本以及歐洲從20世紀90年代開始對SiC材料、器件、封裝、應用的全產(chǎn)業(yè)鏈進行了重點投入和系統(tǒng)布局，全力搶占該技術與產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略的制高點和國際市場.在SiC材料方面，主要以Cree、II-VI、Dow Corning等企業(yè)為代表.2013年，Cree開發(fā)的6英寸SiC單晶產(chǎn)品，微管密度低于1個·cm-2，研發(fā)出厚度超過250 μm的SiC外延樣品；多家公司批量提供中低壓SiC外延材料產(chǎn)品.在SiC器件方面，國際上已經(jīng)研發(fā)了10～15 kV/≥10 A的MOSFET[1-2]、22 kV的ETO[3]、27 kV的N-IGBT[4]和超過20 kV的PiN[5]二極管等.受成本、產(chǎn)量以及可靠性的影響，碳化硅電力電子器件率先在低壓領域實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，目前的商業(yè)產(chǎn)品電壓等級在600～1700 V，器件類型是碳化硅的JBS二極管、MOSFET開關管、JFET開關管和BJT開關管.2015年國外開發(fā)了基于SiC器件的電動汽車；瑞士ABB、BRUSA，德國Siemens，法國DBT，日本Nissan，美國Tesla等公司都開發(fā)了相關產(chǎn)品，但尚未有全SiC大容量直流快充設備的相關報道.SiC領域的專利已超過2 000項，大多屬于場效應晶體管器件領域.其中，美國、日本以及歐洲擁有約80%的專利，所有者主要為Cree、Rohm、Infineon等企業(yè).

我國SiC領域的研發(fā)起步較晚，從“十二五”開始，隨著各級政府研發(fā)資金的投入，國內碳化硅電力電子器件的發(fā)展迅速.開發(fā)了成熟的4英寸N型SiC單晶產(chǎn)品，微管密度小于1個·cm-2；6英寸SiC單晶樣品，但未形成產(chǎn)業(yè)化；研發(fā)了150 μm的SiC外延材料樣品，20 μm以下的SiC外延材料產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)批量生產(chǎn).研發(fā)的SiC二極管芯片最高阻斷電壓達到了17 kV[6]；國內高校和研究所聯(lián)合開發(fā)了基于國產(chǎn)SiC芯片的4 500 V/50～100 A功率模塊，并基于自主的多芯片串聯(lián)技術開發(fā)了10 kV/200 A的串聯(lián)功率模塊[7]，以及1.2～3.3 kV等級的SiC MOSFET器件樣品[8]，但其在電流和性能上和國際水平還有較大差距.目前，我國已具有600～3 300 V SiC二極管管芯的量產(chǎn)能力，但SiC開關管的量產(chǎn)能力尚不具備.我國是世界上運行與在建電動汽車充換電設施數(shù)量最多、規(guī)模最大、服務能力最強的國家，但在全SiC電動汽車充電裝備技術開發(fā)方面尚處于樣機研發(fā)階段.雖然國內幾所高校、研究所和公司擁有一些自主的SiC技術專利，但在數(shù)量和覆蓋面上和國外差距較大.

鑒于此，我國亟需以電動汽車充電樁的應用為突破口，開展中低壓碳化硅材料、器件及其在電動汽車充電設備中的應用示范研究，打通碳化硅材料、器件、封裝、裝置及系統(tǒng)應用的全技術鏈，建成具有自主能力的完整碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈.

2 研究內容和目標

2015～2020年是SiC技術在電力電子行業(yè)應用的關鍵時期，我國亟需加大SiC產(chǎn)業(yè)鏈的整合力度，建立SiC技術研發(fā)平臺和產(chǎn)業(yè)化基地，建成獨立自主的SiC全產(chǎn)業(yè)鏈，并在電動汽車充電設備領域率先實現(xiàn)SiC技術規(guī)模化應用.因此，本項目重點開展低缺陷低電阻率SiC單晶材料技術的研究，掌握成熟的6英寸SiC單晶材料技術，研究低界面態(tài)高電子遷移率柵介質技術，掌握高效、高穩(wěn)定的中低壓SiC MOSFET芯片技術，開發(fā)大容量全SiC功率模塊，并在充電設備中實現(xiàn)規(guī)模化示范應用.圍繞以上研究重點，本項目首先需解決2個科學問題：

問題1 探明大尺寸SiC單晶和外延材料中缺陷產(chǎn)生、生長和湮滅理論.

本項目重點研究并揭示缺陷產(chǎn)生、生長和湮滅的基本物理過程，建立SiC單晶微管密度降低和BPD位錯向對功率器件性能無影響的TED位錯轉化的方法，以實現(xiàn)單晶和外延層缺陷控制技術，擴展相關缺陷理論.針對較高電壓芯片的研制需要，研制6英寸SiC單晶襯底材料、N型外延材料和P型重摻雜外延材料.

問題2 掌握SiC MOSFET柵介質界面態(tài)產(chǎn)生和溝道載流子輸運機理.

SiC與柵介質界面缺陷被認為是影響SiC MOSFET結構器件遷移率和閾值電壓穩(wěn)定性的主要因素，然而不同類型界面缺陷的形成原因、分布以及其對器件性能的影響機制仍未明晰.本課題將建立界面缺陷與界面遷移率、閾值電壓漂移的仿真模型，分析不同界面缺陷對溝道遷移率和閾值電壓漂移的影響機制，為界面調控工藝的優(yōu)化提供理論基礎.

本項目設置如下5個研究課題，覆蓋材料、芯片、模塊和設備應用.通過各個課題之間的牽引及支撐形成“材料-芯片-模塊-應用”的全產(chǎn)業(yè)鏈研發(fā)平臺.

(1)大尺寸低缺陷低電阻率碳化硅單晶制備技術研究

本課題是器件研究的基礎，為后續(xù)課題提供材料支撐.針對中低壓器件對SiC襯底的需求，開展單晶生長過程中溫場及晶型控制、微管缺陷控制、電學性質控制及6英寸襯底加工技術等方面的研究.通過本課題的研究將大大提高大尺寸單晶生長技術水平和產(chǎn)業(yè)化能力.

(2)低壓高效率SiC MOSFET芯片關鍵工藝及制備技術研究

針對低壓SiC器件對導通性能的要求，優(yōu)化控制參數(shù)，研發(fā)高質量外延材料；研究熱氧化、特殊氣體退火、表面處理技術，實現(xiàn)低界面態(tài)柵氧；通過多維仿真、優(yōu)化設計和整體工藝整合，實現(xiàn)低導通電阻大容量600～1 200V的SiC MOSFET芯片.

(3)中壓高穩(wěn)定SiC MOSFET芯片關鍵工藝及制備技術研究

針對中壓器件對柵極穩(wěn)定性和高電壓應力耐受的需求，研究新型柵極設計、低界面態(tài)柵介質工藝及失效機理，以提高MOSFET柵極穩(wěn)定性；研究高均勻性低缺陷密度外延生長技術、新型終端設計、高可靠鈍化技術，以提高器件電壓應力耐受能力，實現(xiàn)大容量1 200～1 700 V SiC MOSFET芯片.

由于充電設備應用對器件提出了低壓和中壓2種要求，電壓等級有所不同，面臨的主要問題也不同，因此研究側重點將有所不同.課題2的低壓芯片側重于導通性能的提高，因此主要圍繞芯片導通電阻降低這一關鍵技術進行開發(fā).課題3的中壓芯片側重器件在較高電壓下的可靠性，因此也主要針對高電壓強電場條件下器件的工藝開發(fā)及可靠性研究.

(4)大電流高可靠性中低壓全碳化硅模塊技術研究

本課題是聯(lián)系2個芯片課題與應用課題的紐帶.針對課題5的應用要求開展相關模塊的開發(fā)工作.通過對多芯片均流、電磁兼容、模塊結構設計、絕緣封裝關鍵工藝、模塊測試、可靠性試驗與失效分析等的研究，提高中低壓全碳化硅模塊性能及可靠性.將圍繞課題5進行模塊研制及生產(chǎn).

(5)全碳化硅高效率充電樁的研制和規(guī)模示范應用

本課題是項目的技術需求及應用來源.通過研究SiC器件在無線充電產(chǎn)品和直流充電產(chǎn)品中的應用技術，結合產(chǎn)品應用的大數(shù)據(jù)分析及評估技術研究，以解決SiC器件在系統(tǒng)應用中存在的問題.利用SiC器件提高系統(tǒng)轉換效率，減小系統(tǒng)體積，增強系統(tǒng)的環(huán)境適應能力.以模塊為紐帶，通過系統(tǒng)開發(fā)及小批量應用，驗證和檢驗器件的性能和材料質量，為器件及材料工藝的改進提供依據(jù).

3 預期成果和展望

研制6英寸碳化硅單晶材料，微管密度≤0.5個·m-2，電阻率≤30 mΩ·cm；研制6英寸N型外延材料，實現(xiàn)N型外延厚度≥200 μm、表面缺陷密度≤5 cm-2，實現(xiàn)p型重摻雜外延材料；研制單芯片容量不低于1 200 V/100 A和1 700 V/25 A的碳化硅MOSFET芯片；研制容量不低于1200 V/200 A的全碳化硅功率模塊；研制基于碳化硅器件的無線充電設備，其容量不低于60 kW、無線傳輸距離(垂直)≥15 cm、總體效率≥92%、系統(tǒng)防護等級IP54；研制基于碳化硅器件的有線充電設備，其容量不低于400 kW、總體效率≥96%、系統(tǒng)防護等級IP54；在北京、青島、深圳、許昌和2022年北京冬奧會實現(xiàn)不少于1 500臺碳化硅充電設備的“四城一會”規(guī)模示范應用.

通過本項目的實施，建成SiC材料、器件和應用協(xié)同合作的全產(chǎn)業(yè)鏈研發(fā)平臺和產(chǎn)業(yè)化基地，培養(yǎng)領軍型創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才，申請發(fā)明專利不少于55項，發(fā)表學術論文不少于32篇，形成1件國家/行業(yè)標準，帶動行業(yè)新增產(chǎn)值150億元.

“中低壓SiC材料、器件及其在電動汽車充電設備中的應用示范”項目，不僅僅涉及某一單個技術環(huán)節(jié)，而是從上游的SiC單晶材料開始，與器件、模塊和充電機應用的各個技術和產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)進行密切合作，建立利益共同體，開展核心技術、關鍵工藝和應用裝備的協(xié)同研發(fā)，采取“前向迭代、后向驗證”的模式，最終實現(xiàn)并完善以碳化硅為代表的第三代半導體材料的研發(fā)和應用體系.

(1)大大提高我國碳化硅單晶材料產(chǎn)業(yè)的競爭力

首先，本項目要突破6英寸SiC晶體制備的關鍵技術，打破國外公司在大尺寸SiC單晶領域的壟斷局面.目前，全球碳化硅單晶材料已經(jīng)由4英寸轉向6英寸，將大幅降低碳化硅器件的成本，促進碳化硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.國外少數(shù)企業(yè)已經(jīng)開始小批量研制和推廣6英寸碳化硅單晶材料.通過本項目的實施，將實現(xiàn)我國6英寸碳化硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、壯大，并搶占一部分市場，為打破國外壟斷做出重大貢獻.

(2)填補我國新型碳化硅MOSFET器件產(chǎn)品的空白

SiC MOSFET器件具有理想的柵絕緣特性、高速開關性能、低導通電阻等一系列顯著優(yōu)勢，特別適用于功率開關；但是，SiC MOSFET商品化需要解決若干關鍵問題，如溝道載流子遷移率低和柵氧層的長期可靠性低等；目前，全世界只有美國的Cree公司和日本Rohm公司推出了SiC MOSFET器件產(chǎn)品，我國仍處于樣品研制階段.本項目的實施，將填補我國新型碳化硅MOSFET器件產(chǎn)品的空白，顯著提升我國SiC電力電子器件的水平.

(3)進一步提高我國碳化硅功率模塊的競爭力

目前，我國已初步建成功率模塊封裝產(chǎn)業(yè)，但基本是上一代的硅產(chǎn)品.全球只有Rohm公司和Cree公司采用自主碳化硅芯片開始小批量生產(chǎn)1 200～1 700 V的全碳化硅半橋模塊，其他公司均處于新產(chǎn)品研發(fā)和市場開拓階段.本項目的開展，有望突破SiC功率模塊多芯片均流和高效散熱等多項關鍵核心技術，實現(xiàn)碳化硅全橋功率模塊的產(chǎn)業(yè)化，提高我國碳化硅功率模塊的競爭力.

(4)搶占國際電動汽車充電領域的領先地位

目前，國際上基于碳化硅器件的下一代電動汽車充電設備正處于樣品研發(fā)階段，尚未有產(chǎn)品問世.通過本項目的實施，在打通碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈的基礎上，將國產(chǎn)碳化硅產(chǎn)品用于開發(fā)電動汽車充電設備.如果僅滿足于樣機的研制，將會重蹈我國在硅基電力、電子器件產(chǎn)業(yè)的覆轍.為了真正用上、用好我國的碳化硅器件，本研究投入眾多人力、物力，實現(xiàn)超過1 500臺全碳化硅充電設備的小規(guī)模示范應用，以此來實現(xiàn)國內SiC材料、器件和應用的全產(chǎn)業(yè)鏈自主保障，打破國外廠商對該領域的壟斷，有效推動我國電動汽車產(chǎn)業(yè)等制造業(yè)向高端邁進，實現(xiàn)跨越式發(fā)展和產(chǎn)業(yè)引領，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟和社會效益.

(5)產(chǎn)生巨大的社會效益

發(fā)展電動汽車是我國從汽車大國邁向汽車強國的必經(jīng)之路.目前，汽車燃燒的汽油約占全球原油需求的1/4.在全球氣候變暖、各國減排承諾和低碳經(jīng)濟的大環(huán)境下，在世界政治經(jīng)濟動蕩、石油短缺、原油價格走高的大背景下，中國選擇純電動汽車作為突破口，以推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)的突破.本項目的實施，將極大地推動我國電動汽車領域的快速發(fā)展，進一步降低對石油的需求，從而一定程度上降低對石油進口的依存度，不僅有利于調整我國整體能源結構，也有利于國家的能源安全.同時，本項目的實施，將對我國的節(jié)能減排、減少有害氣體和顆粒物排放等方面產(chǎn)生顯著的推動作用，社會效益巨大.

開展中低壓SiC材料、器件及其在電動汽車充電設備中的應用示范研究，是一項順應我國科技創(chuàng)新要求和時代發(fā)展的重大舉措.本研究通過聯(lián)合國內在碳化硅材料、器件和充電裝備研究中具有優(yōu)勢的單位，進行協(xié)同攻關，開展前向迭代、后向驗證的技術開發(fā)機制，探索打通全產(chǎn)業(yè)鏈的技術攻關模式，將為我國的科技創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略做出貢獻.

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SHENG Kuang1, GUO Qing1, YU Kunshan2, DING Xiaowei3

(1.CollegeofElectricalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China; 2.BeijingAdvancedSemiconductorInnovationCo.Ltd.,Beijing101300,China; 3.BeijingHuashangSanyouNewEnergyTechnologyCo.Ltd.,Beijing101106,China)

Medium and low voltage SiC materials, power devices and demonstration in electric vehicle charging equipment. Journal of Zhejiang University(Science Edition), 2016,43(6):631-634

Silicon carbide (SiC) power devices have the advantages of high voltage, high temperature and high frequency. It brings significant improvements in the efficiency and power density of charging piles, and shows great potential in electric vehicle (EV) charging equipment. The project of “medium and low voltage SiC materials, power devices and demonstration in electric vehicle charging equipment” will make an essential contribution to the progress of SiC industry chain in China, as well as the core competitiveness in EV charge equipment in the future.

silicon carbide; electric vehicle; charging

2016-08-24.

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFB0400402).

盛 況(1974-)，ORCID:http://orcid.org/0000-0001-8839-7281,男，博士，長江學者特聘教授，博士生導師，主要從事新能源電力電子器件及集成電路研究.

*通信作者，ORCID:http://orcid:org/0000-0002-5417-8846,E-mail:guoqing@zju.edu.cn.

10.3785/j.issn.1008-9497.2016.06.001

TN 386

B

1008-9497(2016)06-631-04