中低压碳化硅材料、器件及其在电动汽车充电设备中的应用示范

2016-12-20于坤山丁晓伟

浙江大学学报(理学版) 2016年6期

关键词：碳化硅单晶器件

盛况, 郭清*, 于坤山, 丁晓伟

(1. 浙江大学电气工程学院，浙江杭州 310027； 2. 北京国联万众半导体科技有限公司，北京101300； 3. 北京华商三优新能源科技有限公司，北京 101106)

中低压碳化硅材料、器件及其在电动汽车充电设备中的应用示范

盛况1, 郭清1*, 于坤山2, 丁晓伟3

(1. 浙江大学电气工程学院，浙江杭州 310027； 2. 北京国联万众半导体科技有限公司，北京101300； 3. 北京华商三优新能源科技有限公司，北京 101106)

碳化硅(SiC)电力电子器件的高压、高温和高频率特性，使其成为理想的电动汽车充电设备器件，将显著提升电动汽车充电设备的效率和功率密度.开展中低压SiC材料、器件及其在电动汽车充电设备中的示范应用，不仅有利于加快建立我国自主的碳化硅全产业链，而且有助于提高我国电动汽车充电设备的核心竞争力.

碳化硅；电动汽车；充电

《国务院办公厅关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见》指出，“大力推进充电基础设施建设，有利于解决电动汽车充电难题，是发展新能源汽车产业的重要保障”“坚持以纯电驱动为新能源汽车发展的主要战略取向，将充电基础设施建设放在更加重要的位置”.开展中低压SiC材料、器件及其在电动汽车充电设备中的应用示范研究，将解决电动汽车充电设备体积大、能效低、高温环境下应用可靠性低等问题，提升我国在电动汽车充电设备关键技术领域的地位，推动碳化硅电力电子技术的实用化，以实现技术升级和产学研合作双丰收，为国家的科技创新发展战略服务.

2016年，科技部在国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项中布局了“SiC电力电子材料、器件与模块及在电力传动和电力系统的应用示范”项目.该项目在国内碳化硅领域掀起了一股席卷全行业的巨浪，无论是身处基础研究和技术攻关的科研人员，还是致力于产品开发和市场开拓的企业，无不深感振奋，因为，这不仅仅是一个面向技术攻关的科研项目，而且是一个包含碳化硅所有环节的全技术链，是建设我国碳化硅全产业链的重大举措.该项目不仅立足高远，在基础研究突破和关键技术攻关方面大力投入，而且重视落地，对碳化硅上下游技术链、产业链的衔接提出了更高的要求和期待.

本项目由北京华商三优新能源科技有限公司牵头，该公司在充电设施开发、建设和运营方面具有扎实的科研实力和丰富的经验，已建成充电站近400座、充电桩10 000个.截至2015年，该公司已获授权专利33项，软件著作权3项，其中项目“电动汽车充电基础设施关键技术与工程应用”获得了2015年中国汽车工业科学技术一等奖。

1 国内研究现状

碳化硅(SiC)作为第3代半导体材料的代表，具有优越的物理性能，以其研制的电力电子器件，相对于传统的硅器件，具有高压、高温、高频等优良特性.电动汽车充电基础设施是新能源汽车产业的重要组成部分，其中充电设备及其电力电子材料和器件是产业的基础技术.采用碳化硅电力电子器件，将显著提升电动汽车充电设备的效率和功率密度，是未来电动汽车充电设备的核心竞争力.

美国、日本以及欧洲从20世纪90年代开始对SiC材料、器件、封装、应用的全产业链进行了重点投入和系统布局，全力抢占该技术与产业战略的制高点和国际市场.在SiC材料方面，主要以Cree、II-VI、Dow Corning等企业为代表.2013年，Cree开发的6英寸SiC单晶产品，微管密度低于1个·cm-2，研发出厚度超过250 μm的SiC外延样品；多家公司批量提供中低压SiC外延材料产品.在SiC器件方面，国际上已经研发了10～15 kV/≥10 A的MOSFET[1-2]、22 kV的ETO[3]、27 kV的N-IGBT[4]和超过20 kV的PiN[5]二极管等.受成本、产量以及可靠性的影响，碳化硅电力电子器件率先在低压领域实现了产业化，目前的商业产品电压等级在600～1700 V，器件类型是碳化硅的JBS二极管、MOSFET开关管、JFET开关管和BJT开关管.2015年国外开发了基于SiC器件的电动汽车；瑞士ABB、BRUSA，德国Siemens，法国DBT，日本Nissan，美国Tesla等公司都开发了相关产品，但尚未有全SiC大容量直流快充设备的相关报道.SiC领域的专利已超过2 000项，大多属于场效应晶体管器件领域.其中，美国、日本以及欧洲拥有约80%的专利，所有者主要为Cree、Rohm、Infineon等企业.

我国SiC领域的研发起步较晚，从“十二五”开始，随着各级政府研发资金的投入，国内碳化硅电力电子器件的发展迅速.开发了成熟的4英寸N型SiC单晶产品，微管密度小于1个·cm-2；6英寸SiC单晶样品，但未形成产业化；研发了150 μm的SiC外延材料样品，20 μm以下的SiC外延材料产品已经实现批量生产.研发的SiC二极管芯片最高阻断电压达到了17 kV[6]；国内高校和研究所联合开发了基于国产SiC芯片的4 500 V/50～100 A功率模块，并基于自主的多芯片串联技术开发了10 kV/200 A的串联功率模块[7]，以及1.2～3.3 kV等级的SiC MOSFET器件样品[8]，但其在电流和性能上和国际水平还有较大差距.目前，我国已具有600～3 300 V SiC二极管管芯的量产能力，但SiC开关管的量产能力尚不具备.我国是世界上运行与在建电动汽车充换电设施数量最多、规模最大、服务能力最强的国家，但在全SiC电动汽车充电装备技术开发方面尚处于样机研发阶段.虽然国内几所高校、研究所和公司拥有一些自主的SiC技术专利，但在数量和覆盖面上和国外差距较大.

鉴于此，我国亟需以电动汽车充电桩的应用为突破口，开展中低压碳化硅材料、器件及其在电动汽车充电设备中的应用示范研究，打通碳化硅材料、器件、封装、装置及系统应用的全技术链，建成具有自主能力的完整碳化硅全产业链.

2 研究内容和目标

2015～2020年是SiC技术在电力电子行业应用的关键时期，我国亟需加大SiC产业链的整合力度，建立SiC技术研发平台和产业化基地，建成独立自主的SiC全产业链，并在电动汽车充电设备领域率先实现SiC技术规模化应用.因此，本项目重点开展低缺陷低电阻率SiC单晶材料技术的研究，掌握成熟的6英寸SiC单晶材料技术，研究低界面态高电子迁移率栅介质技术，掌握高效、高稳定的中低压SiC MOSFET芯片技术，开发大容量全SiC功率模块，并在充电设备中实现规模化示范应用.围绕以上研究重点，本项目首先需解决2个科学问题：

问题1 探明大尺寸SiC单晶和外延材料中缺陷产生、生长和湮灭理论.

本项目重点研究并揭示缺陷产生、生长和湮灭的基本物理过程，建立SiC单晶微管密度降低和BPD位错向对功率器件性能无影响的TED位错转化的方法，以实现单晶和外延层缺陷控制技术，扩展相关缺陷理论.针对较高电压芯片的研制需要，研制6英寸SiC单晶衬底材料、N型外延材料和P型重掺杂外延材料.

问题2 掌握SiC MOSFET栅介质界面态产生和沟道载流子输运机理.

SiC与栅介质界面缺陷被认为是影响SiC MOSFET结构器件迁移率和阈值电压稳定性的主要因素，然而不同类型界面缺陷的形成原因、分布以及其对器件性能的影响机制仍未明晰.本课题将建立界面缺陷与界面迁移率、阈值电压漂移的仿真模型，分析不同界面缺陷对沟道迁移率和阈值电压漂移的影响机制，为界面调控工艺的优化提供理论基础.

本项目设置如下5个研究课题，覆盖材料、芯片、模块和设备应用.通过各个课题之间的牵引及支撑形成“材料-芯片-模块-应用”的全产业链研发平台.

(1)大尺寸低缺陷低电阻率碳化硅单晶制备技术研究

本课题是器件研究的基础，为后续课题提供材料支撑.针对中低压器件对SiC衬底的需求，开展单晶生长过程中温场及晶型控制、微管缺陷控制、电学性质控制及6英寸衬底加工技术等方面的研究.通过本课题的研究将大大提高大尺寸单晶生长技术水平和产业化能力.

(2)低压高效率SiC MOSFET芯片关键工艺及制备技术研究

针对低压SiC器件对导通性能的要求，优化控制参数，研发高质量外延材料；研究热氧化、特殊气体退火、表面处理技术，实现低界面态栅氧；通过多维仿真、优化设计和整体工艺整合，实现低导通电阻大容量600～1 200V的SiC MOSFET芯片.

(3)中压高稳定SiC MOSFET芯片关键工艺及制备技术研究

针对中压器件对栅极稳定性和高电压应力耐受的需求，研究新型栅极设计、低界面态栅介质工艺及失效机理，以提高MOSFET栅极稳定性；研究高均匀性低缺陷密度外延生长技术、新型终端设计、高可靠钝化技术，以提高器件电压应力耐受能力，实现大容量1 200～1 700 V SiC MOSFET芯片.

由于充电设备应用对器件提出了低压和中压2种要求，电压等级有所不同，面临的主要问题也不同，因此研究侧重点将有所不同.课题2的低压芯片侧重于导通性能的提高，因此主要围绕芯片导通电阻降低这一关键技术进行开发.课题3的中压芯片侧重器件在较高电压下的可靠性，因此也主要针对高电压强电场条件下器件的工艺开发及可靠性研究.

(4)大电流高可靠性中低压全碳化硅模块技术研究

本课题是联系2个芯片课题与应用课题的纽带.针对课题5的应用要求开展相关模块的开发工作.通过对多芯片均流、电磁兼容、模块结构设计、绝缘封装关键工艺、模块测试、可靠性试验与失效分析等的研究，提高中低压全碳化硅模块性能及可靠性.将围绕课题5进行模块研制及生产.

(5)全碳化硅高效率充电桩的研制和规模示范应用

本课题是项目的技术需求及应用来源.通过研究SiC器件在无线充电产品和直流充电产品中的应用技术，结合产品应用的大数据分析及评估技术研究，以解决SiC器件在系统应用中存在的问题.利用SiC器件提高系统转换效率，减小系统体积，增强系统的环境适应能力.以模块为纽带，通过系统开发及小批量应用，验证和检验器件的性能和材料质量，为器件及材料工艺的改进提供依据.

3 预期成果和展望

研制6英寸碳化硅单晶材料，微管密度≤0.5个·m-2，电阻率≤30 mΩ·cm；研制6英寸N型外延材料，实现N型外延厚度≥200 μm、表面缺陷密度≤5 cm-2，实现p型重掺杂外延材料；研制单芯片容量不低于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的全碳化硅功率模块；研制基于碳化硅器件的无线充电设备，其容量不低于60 kW、无线传输距离(垂直)≥15 cm、总体效率≥92%、系统防护等级IP54；研制基于碳化硅器件的有线充电设备，其容量不低于400 kW、总体效率≥96%、系统防护等级IP54；在北京、青岛、深圳、许昌和2022年北京冬奥会实现不少于1 500台碳化硅充电设备的“四城一会”规模示范应用.

通过本项目的实施，建成SiC材料、器件和应用协同合作的全产业链研发平台和产业化基地，培养领军型创新创业人才，申请发明专利不少于55项，发表学术论文不少于32篇，形成1件国家/行业标准，带动行业新增产值150亿元.

“中低压SiC材料、器件及其在电动汽车充电设备中的应用示范”项目，不仅仅涉及某一单个技术环节，而是从上游的SiC单晶材料开始，与器件、模块和充电机应用的各个技术和产业环节进行密切合作，建立利益共同体，开展核心技术、关键工艺和应用装备的协同研发，采取“前向迭代、后向验证”的模式，最终实现并完善以碳化硅为代表的第三代半导体材料的研发和应用体系.

(1)大大提高我国碳化硅单晶材料产业的竞争力

首先，本项目要突破6英寸SiC晶体制备的关键技术，打破国外公司在大尺寸SiC单晶领域的垄断局面.目前，全球碳化硅单晶材料已经由4英寸转向6英寸，将大幅降低碳化硅器件的成本，促进碳化硅产业的发展.国外少数企业已经开始小批量研制和推广6英寸碳化硅单晶材料.通过本项目的实施，将实现我国6英寸碳化硅产业的发展、壮大，并抢占一部分市场，为打破国外垄断做出重大贡献.

(2)填补我国新型碳化硅MOSFET器件产品的空白

SiC MOSFET器件具有理想的栅绝缘特性、高速开关性能、低导通电阻等一系列显著优势，特别适用于功率开关；但是，SiC MOSFET商品化需要解决若干关键问题，如沟道载流子迁移率低和栅氧层的长期可靠性低等；目前，全世界只有美国的Cree公司和日本Rohm公司推出了SiC MOSFET器件产品，我国仍处于样品研制阶段.本项目的实施，将填补我国新型碳化硅MOSFET器件产品的空白，显著提升我国SiC电力电子器件的水平.

(3)进一步提高我国碳化硅功率模块的竞争力

目前，我国已初步建成功率模块封装产业，但基本是上一代的硅产品.全球只有Rohm公司和Cree公司采用自主碳化硅芯片开始小批量生产1 200～1 700 V的全碳化硅半桥模块，其他公司均处于新产品研发和市场开拓阶段.本项目的开展，有望突破SiC功率模块多芯片均流和高效散热等多项关键核心技术，实现碳化硅全桥功率模块的产业化，提高我国碳化硅功率模块的竞争力.

(4)抢占国际电动汽车充电领域的领先地位

目前，国际上基于碳化硅器件的下一代电动汽车充电设备正处于样品研发阶段，尚未有产品问世.通过本项目的实施，在打通碳化硅全产业链的基础上，将国产碳化硅产品用于开发电动汽车充电设备.如果仅满足于样机的研制，将会重蹈我国在硅基电力、电子器件产业的覆辙.为了真正用上、用好我国的碳化硅器件，本研究投入众多人力、物力，实现超过1 500台全碳化硅充电设备的小规模示范应用，以此来实现国内SiC材料、器件和应用的全产业链自主保障，打破国外厂商对该领域的垄断，有效推动我国电动汽车产业等制造业向高端迈进，实现跨越式发展和产业引领，创造可观的经济和社会效益.

(5)产生巨大的社会效益

发展电动汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必经之路.目前，汽车燃烧的汽油约占全球原油需求的1/4.在全球气候变暖、各国减排承诺和低碳经济的大环境下，在世界政治经济动荡、石油短缺、原油价格走高的大背景下，中国选择纯电动汽车作为突破口，以推动新能源汽车产业的突破.本项目的实施，将极大地推动我国电动汽车领域的快速发展，进一步降低对石油的需求，从而一定程度上降低对石油进口的依存度，不仅有利于调整我国整体能源结构，也有利于国家的能源安全.同时，本项目的实施，将对我国的节能减排、减少有害气体和颗粒物排放等方面产生显著的推动作用，社会效益巨大.

开展中低压SiC材料、器件及其在电动汽车充电设备中的应用示范研究，是一项顺应我国科技创新要求和时代发展的重大举措.本研究通过联合国内在碳化硅材料、器件和充电装备研究中具有优势的单位，进行协同攻关，开展前向迭代、后向验证的技术开发机制，探索打通全产业链的技术攻关模式，将为我国的科技创新发展战略做出贡献.

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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