中低壓碳化硅材料、器件及其在電動汽車充電設(shè)備中的應(yīng)用示范

盛 況, 郭 清*, 于坤山, 丁曉偉

(1. 浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 浙江 杭州 310027； 2. 北京國聯(lián)萬眾半導(dǎo)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(shè)備中的應(yīng)用示范

盛 況1, 郭 清1*, 于坤山2, 丁曉偉3

(1. 浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 浙江 杭州 310027； 2. 北京國聯(lián)萬眾半導(dǎo)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(shè)備器件，將顯著提升電動汽車充電設(shè)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(shè)備中的示范應(yīng)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(shè)備的核心競爭力.

碳化硅；電動汽車；充電

《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加快電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》指出，“大力推進(jìn)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，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(qū)動為新能源汽車發(fā)展的主要戰(zhàn)略取向，將充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(shè)備中的應(yīng)用示范研究，將解決電動汽車充電設(shè)備體積大、能效低、高溫環(huán)境下應(yīng)用可靠性低等問題，提升我國在電動汽車充電設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的地位，推動碳化硅電力電子技術(shù)的實用化，以實現(xiàn)技術(shù)升級和產(chǎn)學(xué)研合作雙豐收，為國家的科技創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略服務(wù).

2016年，科技部在國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料”重點(diǎn)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(yīng)用示范”項目.該項目在國內(nèi)碳化硅領(lǐng)域掀起了一股席卷全行業(yè)的巨浪，無論是身處基礎(chǔ)研究和技術(shù)攻關(guān)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(shù)攻關(guān)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(shù)鏈，是建設(shè)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(yuǎn)，在基礎(chǔ)研究突破和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)方面大力投入，而且重視落地，對碳化硅上下游技術(shù)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(shè)施開發(fā)、建設(shè)和運(yùn)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(quán)專利33項，軟件著作權(quán)3項，其中項目“電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)鍵技術(shù)與工程應(yīng)用”獲得了2015年中國汽車工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎。

1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

碳化硅(SiC)作為第3代半導(dǎo)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(chǔ)設(shè)施是新能源汽車產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，其中充電設(shè)備及其電力電子材料和器件是產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù).采用碳化硅電力電子器件，將顯著提升電動汽車充電設(shè)備的效率和功率密度，是未來電動汽車充電設(shè)備的核心競爭力.

美國、日本以及歐洲從20世紀(jì)90年代開始對SiC材料、器件、封裝、應(yīng)用的全產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行了重點(diǎn)投入和系統(tǒng)布局，全力搶占該技術(shù)與產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略的制高點(diǎn)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(lǐng)域?qū)崿F(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(guān)管、JFET開關(guān)管和BJT開關(guān)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(guān)產(chǎn)品，但尚未有全SiC大容量直流快充設(shè)備的相關(guān)報道.SiC領(lǐng)域的專利已超過2 000項，大多屬于場效應(yīng)晶體管器件領(lǐng)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(lǐng)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(nèi)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(dá)到了17 kV[6]；國內(nèi)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(shù)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(guān)管的量產(chǎn)能力尚不具備.我國是世界上運(yùn)行與在建電動汽車充換電設(shè)施數(shù)量最多、規(guī)模最大、服務(wù)能力最強(qiáng)的國家，但在全SiC電動汽車充電裝備技術(shù)開發(fā)方面尚處于樣機(jī)研發(fā)階段.雖然國內(nèi)幾所高校、研究所和公司擁有一些自主的SiC技術(shù)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(yīng)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(shè)備中的應(yīng)用示范研究，打通碳化硅材料、器件、封裝、裝置及系統(tǒng)應(yīng)用的全技術(shù)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(nèi)容和目標(biāo)

2015～2020年是SiC技術(shù)在電力電子行業(yè)應(yīng)用的關(guān)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(shù)研發(fā)平臺和產(chǎn)業(yè)化基地，建成獨(dú)立自主的SiC全產(chǎn)業(yè)鏈，并在電動汽車充電設(shè)備領(lǐng)域率先實現(xiàn)SiC技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用.因此，本項目重點(diǎn)開展低缺陷低電阻率SiC單晶材料技術(shù)的研究，掌握成熟的6英寸SiC單晶材料技術(shù)，研究低界面態(tài)高電子遷移率柵介質(zhì)技術(shù)，掌握高效、高穩(wěn)定的中低壓SiC MOSFET芯片技術(shù)，開發(fā)大容量全SiC功率模塊，并在充電設(shè)備中實現(xiàn)規(guī)?；痉稇?yīng)用.圍繞以上研究重點(diǎn)，本項目首先需解決2個科學(xué)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(diǎn)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?qū)β势骷阅軣o影響的TED位錯轉(zhuǎn)化的方法，以實現(xiàn)單晶和外延層缺陷控制技術(shù)，擴(kuò)展相關(guān)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?fù)诫s外延材料.

問題2 掌握SiC MOSFET柵介質(zhì)界面態(tài)產(chǎn)生和溝道載流子輸運(yùn)機(jī)理.

SiC與柵介質(zhì)界面缺陷被認(rèn)為是影響SiC MOSFET結(jié)構(gòu)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(jī)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(jī)制，為界面調(diào)控工藝的優(yōu)化提供理論基礎(chǔ).

本項目設(shè)置如下5個研究課題，覆蓋材料、芯片、模塊和設(shè)備應(yīng)用.通過各個課題之間的牽引及支撐形成“材料-芯片-模塊-應(yīng)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(shù)研究

本課題是器件研究的基礎(chǔ)，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(xué)性質(zhì)控制及6英寸襯底加工技術(shù)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(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化能力.

(2)低壓高效率SiC MOSFET芯片關(guān)鍵工藝及制備技術(shù)研究

針對低壓SiC器件對導(dǎo)通性能的要求，優(yōu)化控制參數(shù)，研發(fā)高質(zhì)量外延材料；研究熱氧化、特殊氣體退火、表面處理技術(shù)，實現(xiàn)低界面態(tài)柵氧；通過多維仿真、優(yōu)化設(shè)計和整體工藝整合，實現(xiàn)低導(dǎo)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(guān)鍵工藝及制備技術(shù)研究

針對中壓器件對柵極穩(wěn)定性和高電壓應(yīng)力耐受的需求，研究新型柵極設(shè)計、低界面態(tài)柵介質(zhì)工藝及失效機(jī)理，以提高M(jìn)OSFET柵極穩(wěn)定性；研究高均勻性低缺陷密度外延生長技術(shù)、新型終端設(shè)計、高可靠鈍化技術(shù)，以提高器件電壓應(yīng)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(shè)備應(yīng)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(cè)重點(diǎn)將有所不同.課題2的低壓芯片側(cè)重于導(dǎo)通性能的提高，因此主要圍繞芯片導(dǎo)通電阻降低這一關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行開發(fā).課題3的中壓芯片側(cè)重器件在較高電壓下的可靠性，因此也主要針對高電壓強(qiáng)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(shù)研究

本課題是聯(lián)系2個芯片課題與應(yīng)用課題的紐帶.針對課題5的應(yīng)用要求開展相關(guān)模塊的開發(fā)工作.通過對多芯片均流、電磁兼容、模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計、絕緣封裝關(guān)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(jìn)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(yīng)用

本課題是項目的技術(shù)需求及應(yīng)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(yīng)用技術(shù)，結(jié)合產(chǎn)品應(yīng)用的大數(shù)據(jù)分析及評估技術(shù)研究，以解決SiC器件在系統(tǒng)應(yīng)用中存在的問題.利用SiC器件提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率，減小系統(tǒng)體積，增強(qiáng)系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力.以模塊為紐帶，通過系統(tǒng)開發(fā)及小批量應(yīng)用，驗證和檢驗器件的性能和材料質(zhì)量，為器件及材料工藝的改進(jìn)提供依據(jù).

3 預(yù)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?fù)诫s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(shè)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(hù)等級IP54；研制基于碳化硅器件的有線充電設(shè)備，其容量不低于400 kW、總體效率≥96%、系統(tǒng)防護(hù)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(shè)備的“四城一會”規(guī)模示范應(yīng)用.

通過本項目的實施，建成SiC材料、器件和應(yīng)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(lǐng)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(xué)術(shù)論文不少于32篇，形成1件國家/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)備中的應(yīng)用示范”項目，不僅僅涉及某一單個技術(shù)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(jī)應(yīng)用的各個技術(shù)和產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)進(jìn)行密切合作，建立利益共同體，開展核心技術(shù)、關(guān)鍵工藝和應(yīng)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(dǎo)體材料的研發(fā)和應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)，打破國外公司在大尺寸SiC單晶領(lǐng)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(zhuǎn)向6英寸，將大幅降低碳化硅器件的成本，促進(jìn)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(xiàn).

(2)填補(bǔ)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(guān)性能、低導(dǎo)通電阻等一系列顯著優(yōu)勢，特別適用于功率開關(guān)；但是，SiC MOSFET商品化需要解決若干關(guān)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(bǔ)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(jìn)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(guān)鍵核心技術(shù)，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(lǐng)域的領(lǐng)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(shè)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(chǔ)上，將國產(chǎn)碳化硅產(chǎn)品用于開發(fā)電動汽車充電設(shè)備.如果僅滿足于樣機(jī)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(shè)備的小規(guī)模示范應(yīng)用，以此來實現(xiàn)國內(nèi)SiC材料、器件和應(yīng)用的全產(chǎn)業(yè)鏈自主保障，打破國外廠商對該領(lǐng)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(jìn)，實現(xiàn)跨越式發(fā)展和產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)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(qiáng)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(jì)的大環(huán)境下，在世界政治經(jīng)濟(jì)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(lǐng)域的快速發(fā)展，進(jìn)一步降低對石油的需求，從而一定程度上降低對石油進(jìn)口的依存度，不僅有利于調(diào)整我國整體能源結(jié)構(gòu)，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(shè)備中的應(yīng)用示范研究，是一項順應(yīng)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(nèi)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(jìn)行協(xié)同攻關(guān)，開展前向迭代、后向驗證的技術(shù)開發(fā)機(jī)制，探索打通全產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)攻關(guān)模式，將為我國的科技創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略做出貢獻(xiàn).

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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(diǎn)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(xué)者特聘教授，博士生導(dǎo)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

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1008-9497(2016)06-631-04