功率半導(dǎo)體器件的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
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- 安徽新天源建設(shè)咨詢有限公司
- 最后修訂：
- 2020-07-03 15:30:12
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【簡介】
電力電子是現(xiàn)代科學(xué)、工業(yè)、國防和日常生活的重要支撐技術(shù)，而功率器件是其核心和基礎(chǔ)。第三代寬禁帶半導(dǎo)體特別是碳化硅（SiC）功率器件具有優(yōu)異的物理性能，其發(fā)展和成熟必將極大地促進(jìn)電力電子及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，特別是電網(wǎng)改造建設(shè)、綠色能源、電動汽車等。世界各發(fā)達(dá)國家對碳化硅的研究非常重視，紛紛投入大量的人力物力。如美國、歐洲、日本等都從國家層面上制定了相應(yīng)的研究規(guī)劃。再有，一些國際電子業(yè)巨頭也都投入巨資發(fā)展碳化硅半導(dǎo)體器件，并已經(jīng)進(jìn)入商品化的初級階段。沙龍?zhí)接懥宋覈谶@一領(lǐng)域的科研生產(chǎn)及商品化現(xiàn)狀和發(fā)展策略，對碳化硅（SiC）功率器件用于電網(wǎng)改造和建設(shè)做了重點(diǎn)討論。
【主持人致辭】
王玉富：在國際限制、禁止產(chǎn)銷燃油車、發(fā)展電動車的形勢之下，我們這樣一個沙龍，意義非常大。大家最近還特別關(guān)注芯片，我自己感覺，芯片我們肯定要改變目前對美國依賴的現(xiàn)狀，核心技術(shù)我們不能受制于人。再有是搞新能源，也離不開電力電子。今天的沙龍就是討論碳化硅電力電子的發(fā)展現(xiàn)狀和問題。下面請張峰研究員作主旨報(bào)告。
【主旨報(bào)告】
張峰：第三代半導(dǎo)體SiC 外延、器件與應(yīng)用研究
1. 第三代半導(dǎo)體碳化硅器件的應(yīng)用
碳化硅（SiC）是一種優(yōu)異性能的寬禁帶半導(dǎo)體，不但具有禁帶寬、熱導(dǎo)率高、臨界電場高、飽和電子漂移速率高，而且還具有極好的物理及化學(xué)穩(wěn)定性、極強(qiáng)的抗輻照能力和機(jī)械強(qiáng)度等，可用于研制高溫大功率電力電子器件和嚴(yán)酷環(huán)境下的抗輻照傳感器。
圖1 碳化硅功率器件的應(yīng)用及其優(yōu)異性能
以碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體大功率器件是目前在電力電子領(lǐng)域發(fā)展最快的新型半導(dǎo)體功率器件。碳化硅器件在高壓直流輸電，以及綠色能源，機(jī)車牽引高鐵，新能源汽車方面有很好的應(yīng)用潛力。應(yīng)用于高壓直流輸電領(lǐng)域，具有高效節(jié)能的特點(diǎn)。在綠色能源方面，碳化硅本身的可靠性和穩(wěn)定性比較好，適合在苛刻的環(huán)境里面使用。在機(jī)車牽引領(lǐng)域，用碳化硅MOSFET取代硅IGBT，可提高工作頻率。碳化硅也非常適合應(yīng)用于電動汽車以及混動汽車，因?yàn)橛盟龀鰜淼腜CU的體積小，效率高，可提高電動汽車的能量利用效率。
2. 第三代半導(dǎo)體碳化硅材料與器件的發(fā)展
圖2 碳化硅材料與器件的發(fā)展
碳化硅材料的發(fā)展是非常迅速的，從1990年開始，2英寸的碳化硅出現(xiàn)之后，到2015年8英寸的碳化硅也已經(jīng)出現(xiàn)了，但是8英寸的碳化硅材料質(zhì)量還不夠成熟，現(xiàn)在最成熟的是4英寸和6英寸的。現(xiàn)在量產(chǎn)的情況是4英寸晶片在往6英寸轉(zhuǎn)，有一些國外的企業(yè)已經(jīng)大規(guī)模使用6英寸碳化硅了，目前國內(nèi)有很多6英寸硅的生產(chǎn)廠，把硅的設(shè)備改成碳化硅的設(shè)備，再添加一些碳化硅專用設(shè)備，就可以進(jìn)行6英寸碳化硅的流片。
實(shí)際上，碳化硅跟硅的產(chǎn)業(yè)鏈比較相近，碳化硅晶片的制備是在2200度以上的溫度下，把硅粉和碳粉混合升華，在籽晶上進(jìn)行冷凝，形成晶碇，這個晶錠比較薄，大概是3-4厘米。對這個晶錠進(jìn)行切磨拋之后，可以形成碳化硅晶片。另外還需要在碳化硅晶片上長一層外延，這層外延的作用就是耐高壓。器件研制就是在外延片上進(jìn)行光刻、擴(kuò)散、刻蝕、注入、沉積等一系列工藝的整合。碳化硅的電力電子器件跟Si的電力電子器件相比能耐更高的電壓。對于碳化硅，二級管也可以做到一萬伏以上，但是會出現(xiàn)一些問題，比如說在邊角的地方，電場集中的地方容易造成擊穿。為了避免這種情況，我們把它做成PIN的器件，這樣可以有效減緩在邊角地方造成的擊穿。但是做成PIN器件也有不好的地方，因?yàn)樘蓟璞旧淼谋菊鬏d流子濃度非常低，如果想讓它把這個PIN導(dǎo)通的話，需要三伏以上的電壓才能導(dǎo)通。硅就不用那么高，只需要0.7伏到0.9伏電壓就可以把PIN器件導(dǎo)通。為了器件性能優(yōu)化，我們把PIN和肖特基二極管結(jié)合起來，這個器件稱之為JBS器件，它是把PIN的區(qū)域分開，分成一個一個的小區(qū)域?，F(xiàn)在最高的JBS器件可以達(dá)到一萬伏以上的電壓。
3. 第三代半導(dǎo)體碳化硅器件的歷史與展望
圖3 碳化硅功率器件的發(fā)展歷史
下面簡單介紹一下單極型器件和雙極型器件。在2001年的時候，碳化硅二極管進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，由于早期可靠性問題，它的作用沒有那么明顯，沒有引起市場上的重視。到2011年，碳化硅MOSFET的出現(xiàn)引起了市場的高潮，后面很多廠商加入進(jìn)來做碳化硅的生產(chǎn)，包括國家電網(wǎng)和中車也加入進(jìn)來。我們最近研發(fā)出了碳化硅IGBT器件，目前的反向電壓可以達(dá)到一萬伏。另外一方面就是它正向的導(dǎo)通電流可以達(dá)到50安培每平方厘米，非常適合于一萬伏以上的電力系統(tǒng)的應(yīng)用。目前萬伏碳化硅IGBT器件的產(chǎn)業(yè)化還需要碳化硅材料和高壓器件的進(jìn)一步發(fā)展。
經(jīng)歷幾十年的漫長發(fā)展，寬禁帶半導(dǎo)體SiC終于迎來了春天，進(jìn)入飛速發(fā)展時期，在不久的將來有望在電力電子領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用。隨著6英寸SiC單晶襯底和外延晶片的缺陷降低和質(zhì)量提高，使得SiC器件制備能夠在目前現(xiàn)有6英寸Si基功率器件生長線上進(jìn)行，這將進(jìn)一步降低SiC材料和器件成本，推進(jìn)SiC器件和模塊的普及。目前SiC基二極管已經(jīng)初步展示了其損耗低、頻率高和耐高溫等優(yōu)越性。隨著SiC基MOSFET和IGBT器件的日益成熟，全SiC模塊有望在綠色能源逆變器和電動汽車功率模塊上率先應(yīng)用。在1000V以上的中高壓領(lǐng)域，SiC材料和器件將會逐步展現(xiàn)其優(yōu)越特性，彌補(bǔ)Si材料在該領(lǐng)域的不足。展望未來，SiC材料與電力電子器件的發(fā)展和應(yīng)用將成為電力電子發(fā)展的一個重要里程碑！
【邀請報(bào)告】
鈕應(yīng)喜：碳化硅電力電子器件在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用和需求
1. 碳化硅在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用分析
我國已經(jīng)建成世界上規(guī)模最大、最復(fù)雜的電網(wǎng)，同時可再生能源的裝機(jī)量也是世界最大，由于長距離、大容量輸電等特點(diǎn)使得柔性直流、靈活交流輸電等先進(jìn)的輸電技術(shù)得到廣發(fā)的應(yīng)用。隨著可再生能源的進(jìn)一步開發(fā)，加劇了電網(wǎng)的復(fù)雜性和控制難度，亟需提高電網(wǎng)的安全性、靈活性和可控制。這就需要我們開發(fā)性能更加優(yōu)越的電力電子器件。
圖4 我國的電網(wǎng)
在未來柔性半導(dǎo)體電網(wǎng)中，電力電子裝備無處不在，發(fā)電側(cè)的光伏逆變器，輸電側(cè)的靈活交流、柔性直流，變電側(cè)的變電站，配電側(cè)的定制電力，對電力電子器件的應(yīng)用也就無處不在，在發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、整個過程發(fā)揮著重要的作用。
2. 電力系統(tǒng)對SiC電力電子器件的需求
在電力裝備中電力電子器件是最重要的部分之一，但是，目前電網(wǎng)輸送電壓500kV、800kV甚至達(dá)到1100kV，最基本的電力電子器件，Si器件，已經(jīng)達(dá)到了由Si材料性能確定的極限，難以滿足智能電網(wǎng)的要求，更高電壓、更大容量、更高效率、更高結(jié)溫，亟需新型戰(zhàn)略性的材料器件體系。SiC材料的禁帶寬度是Si的3倍，臨界擊穿場強(qiáng)8倍，熱導(dǎo)率是3倍，材料性能優(yōu)勢明顯。SiC器件的耐壓是Si器件的10倍，電流密度3倍，頻率是Si的10倍，是制備高電壓、大功率器件的新型戰(zhàn)略性材料。
圖5 碳化硅材料器件的優(yōu)勢
3. 高壓SiC器件的研究進(jìn)展
雖然在低壓領(lǐng)域SiC已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)。但是在高壓領(lǐng)域，不管是國內(nèi)還是國外都還處于研發(fā)階段。由于材料的優(yōu)勢，國外的研發(fā)進(jìn)度要領(lǐng)先一些，日本京都大學(xué)在3年前就研發(fā)了26.5kV的PiN二極管，美國的Cree公司在也在3年前就研發(fā)了20.7kV的IGBT。國內(nèi)在引進(jìn)先進(jìn)的厚膜外延設(shè)備后，厚膜外延材料制備技術(shù)得到進(jìn)步，最近也在高壓器件方面做了一些成績，比如中電55所在2016年報(bào)道了17kV 的PiN二極管，在2018年報(bào)道了12kV 的IGBT，說明國內(nèi)材料在一步步進(jìn)度，器件的差距也和國外漸漸縮小。
圖6 國外高壓器件的研究進(jìn)展
4. 總結(jié)及展望
未來電網(wǎng)對效率、可靠性、穩(wěn)定運(yùn)行要求更高，需進(jìn)一步提升大電網(wǎng)運(yùn)營控制能力。遠(yuǎn)距離柔直輸電要求電力電子器件具有更高電壓、更大容量、更高結(jié)溫；新能源并網(wǎng)要求器件具有更高的轉(zhuǎn)換效率；智能變電站和新型電力電子裝置要求全控型電力電子器件。電力電子器件是電力電子裝置的核心元器件，是智能電網(wǎng)，全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要支撐。
【討論與交流】
鄭紅軍：張峰的報(bào)告，側(cè)重在碳化硅外延這部分，在外延可能會產(chǎn)生缺陷，我關(guān)心這些缺陷的類型和襯底缺陷之間的相互關(guān)系，是襯底缺陷的延伸，還是在外延過程當(dāng)中所產(chǎn)生的缺陷？因?yàn)檫@些缺陷后來對我們影響比較大。
張峰：鄭老師這個問題非常好，也是非常專業(yè)的問題。我通過這個圖解釋一下，實(shí)際上深綠色的這個地方是襯底的缺陷，有一些基平面位錯的缺陷可以通過外延生長的方法把它轉(zhuǎn)化成一些非基平面位錯的缺陷，把它轉(zhuǎn)成刃位錯的缺陷，這樣對器件影響就比較小了。但是如果轉(zhuǎn)化的不好的話，它還是延續(xù)原來的基平面位錯的缺陷，這樣對器件影響是比較大的。我們希望把襯底微管的缺陷閉合掉，一個是微管的閉合，一個是BPD出現(xiàn)的轉(zhuǎn)化。這樣我們在碳化硅外延的時候，能夠使得碳化硅外延的質(zhì)量比襯底的質(zhì)量更高，使得我們整個晶圓更適合做碳化硅器件。襯底的缺陷如果轉(zhuǎn)化不了的話，整個外延就會很難得到應(yīng)用。我們希望把襯底微管那些危害比較大的缺陷轉(zhuǎn)化為危害比較小的缺陷，這樣更適合做器件應(yīng)用。
陸文蘭：你的外延片如果要生產(chǎn)的話襯底能不能供上？
張峰：目前情況下還是可以的，我們通過國外購買，也從國內(nèi)兩家公司購買，目前還是可以滿足我們的需求的。未來如果我們再擴(kuò)產(chǎn)的話，需要外延公司給我們配合，需要他們那邊擴(kuò)產(chǎn)，才能滿足我們的需求。目前是可以的，但是后面需求量就更大。
陸文蘭：你剛才說碳化硅IGBT到現(xiàn)在都沒有產(chǎn)業(yè)化，它的困難是什么？
張峰：碳化硅現(xiàn)在目前最主要產(chǎn)業(yè)化的困難是它是非常高壓的器件，一般情況下我們在一萬伏以上的情況下才會用到IGBT這種結(jié)構(gòu)。一萬伏的器件實(shí)際上對終端的可靠性的要求，以及對整個缺陷的密度的要求，都是非常非常高的。我們現(xiàn)在目前實(shí)驗(yàn)室可以做到一萬伏到兩萬伏這種級別的器件，但是它離產(chǎn)業(yè)化還是有距離。產(chǎn)業(yè)化的需求不僅僅是你的各項(xiàng)指標(biāo)能夠達(dá)到要求，還需要長時間5年10年還能保證性能的穩(wěn)定，這才是能夠真正產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)。現(xiàn)在實(shí)際上我們指標(biāo)可以做到，但是它可靠性穩(wěn)定性這方面需要加強(qiáng)，因?yàn)樗砻娴娜毕葸€是比較多，在長時間工作之后，它一些缺陷會擴(kuò)展，內(nèi)部的缺陷擴(kuò)展之后，會導(dǎo)致整個器件壽命下降比較厲害。實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化之間還有很遠(yuǎn)的距離，我相信再過5到10年會有新的結(jié)果出來，這樣的話距離產(chǎn)業(yè)化會更近一些。
目前碳化硅有200多種晶型，最常見的就是6H、4H、3C，6H這種材料的禁帶寬度比4H窄，它耐壓的情況比4H也低。4H是碳化硅里面耐壓最好，電子遷移率最高的一種材料。所以說我們才會選用4H碳化硅來做器件的材料。
王玉富：希望我們的沙龍變成一個紐帶，把第三代半導(dǎo)體和電網(wǎng)結(jié)合起來，正向鈕老師說的這樣，碳化硅是為電網(wǎng)而生，這是碳化硅能夠迅速發(fā)展的核心因素。
林耀望：我提一個問題，碳化硅能不能做成超晶格，我有一個想法，碳化硅要超越，估計(jì)要有一個新的設(shè)想，用超晶格的辦法。這是第一個想法。第二個想法，我本身的經(jīng)歷，曾經(jīng)用超晶格的辦法來抑制缺陷，能不能考慮超晶格，通過材料生長力學(xué)的原理來抑制缺陷的生長，從而改進(jìn)外延層的質(zhì)量。我不知道有沒有這種可能。
張峰：您提的問題非常專業(yè)。碳化硅跟氮化鎵不一樣，氮化鎵可以通過鋁鎵氮來調(diào)節(jié)它的帶隙，來形成超晶格的結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)它的剩余極化跟它本身的自發(fā)極化能夠形成二維電子氣，這是氮化鎵的特點(diǎn)。所以氮化鎵可以實(shí)現(xiàn)超晶核結(jié)構(gòu)。碳化硅為什么不能夠形成超晶格結(jié)構(gòu)呢？本身碳化硅跟別的元素都不兼容。比如說我在碳化硅里面形成鋁硅碳這些東西，形成不了很好的單晶，形成不了很好的單晶薄膜。而且碳化硅和碳化硅之間，比如說4H碳化硅跟3C碳化硅之間我們也試過，由于它的晶格匹配失配量非常大，這兩種碳化硅結(jié)合在一起的話，中間的失配很大，就會導(dǎo)致在一種材料上生長另外一種材料，它的質(zhì)量非常不好。這樣的話就很難形成二維電子氣，也很難形成很高質(zhì)量的超晶格結(jié)構(gòu)。因?yàn)槌Ц窠Y(jié)構(gòu)首要條件就是晶格失配要很小，而且要形成很高質(zhì)量的單晶薄膜。碳化硅不具備這兩種條件，所以現(xiàn)在形成不了超晶格的結(jié)構(gòu)。
還有就是它的缺陷通過壓應(yīng)力和張應(yīng)力來降低。現(xiàn)在碳化硅本身應(yīng)力是比較大的，我們不希望它內(nèi)部的應(yīng)力太大。在長單晶的時候，如果你的應(yīng)力很大的話，單晶變厚的話，它容易裂掉，使得你整個的晶錠會不好。而且我們?yōu)榱俗屵@個晶錠能夠很完美地存在，我們還會通過一些方法釋放應(yīng)力。其實(shí)我們不希望它的張應(yīng)力或壓應(yīng)力太強(qiáng)，希望它把應(yīng)力完全釋放掉，讓它的晶體生長比較完美。這樣的話它的缺陷量會更少一些。鄭老師再補(bǔ)充兩句。
鄭紅軍：剛才張峰老師的報(bào)告，在前面一部分我感受比較深。第一個，對三代半導(dǎo)體材料有一個說明，就把硅、砷化鎵、碳化硅這三代材料不同的特性表達(dá)的很清楚。這三代材料，從熔點(diǎn)來看，硅材料是1420度，砷化鎵是1238度，碳化硅是2200多度。從熔點(diǎn)上差異比較大。另外一點(diǎn)，從硬度上，剛才說的叫刀槍不入，實(shí)際上它的硬度僅次于金剛石。由于它這些硬性的東西，我們在講它的禁帶寬度也好，熱導(dǎo)率也好，抗輻射也好，等等N個參數(shù)，它們之間都是不可比的。因此碳化硅芯片這種晶體的生長和晶圓尺寸的放大都存在一定難度。
這兩天我看了一點(diǎn)材料，科銳公司1955年就開始研發(fā)，而1991年他們做出的碳化硅是6H晶型的，1994年發(fā)展到了三英寸4H晶型，這些年的發(fā)展已經(jīng)到了4寸6寸，完全進(jìn)入了一個產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。可是我們國內(nèi)跟人家比的話，差距很大。從襯底來看，一直在說，據(jù)目前我了解，他們6寸已經(jīng)量產(chǎn)了，4寸標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，2寸已經(jīng)取消，幾乎不做了。而6寸和4寸都是中電五十五所在用。從中電五十五所半導(dǎo)體生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)來看，他們現(xiàn)在大部分都是在600伏到1200伏，去年年產(chǎn)達(dá)到了30萬。這是最近我為了大家了解這方面的數(shù)據(jù)，特地給老科協(xié)發(fā)了這篇文章。他們一年能夠常規(guī)量產(chǎn)的600伏到1200伏的，幾百萬，已經(jīng)完全做了一個標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，在市場很有占有率。這個產(chǎn)業(yè)鏈都已經(jīng)搭起來了。
剛才我也想了一下，碳化硅和氮化鎵，它們在物理性能上有些地方相似，但是氮化鎵到現(xiàn)在它只能通過外延的方法。硅片直徑大，有它的優(yōu)勢，但是氮化鎵只能做到一千伏以下，不能再往上做。國內(nèi)通常電源600伏以下可以，充電樁是1200伏，如果在光伏逆變器上就要3000伏，它是不一樣的。但是功率要做大，出現(xiàn)兩個問題，第一個問題，外延層要厚，跟電源有關(guān)；第二個問題，管芯面積要大，電流就會大。這管芯面積到底跟什么有關(guān)系呢？我們?nèi)牧希蓟枳龅浆F(xiàn)在，做到了6寸，雖然微管少了，但是不是沒有，它的位錯目前還是解決不了。位錯導(dǎo)致管芯的面積受到了限制，那它整個功率就上不來，功率上不來電流和電壓就不穩(wěn)。
有時間大家多了解了解，確實(shí)國家非常重視碳化硅和氮化鎵。本來7月9號在北京有一個亞太地區(qū)的碳化硅及相關(guān)材料的國際會議。這是軍品上的需要，你像美國重點(diǎn)發(fā)展，如果做成一個器件，做成一個模塊，如果它的體積減小，它的損耗率下降，如果一個艦艇上把重量減小了，把體積減小了，那你想想，從能源上他會得到多少好處。
王炳燊：我問一個問題，報(bào)告人和大家討論了碳化硅，碳化硅和氮化鎵是什么關(guān)系，是互補(bǔ)還是競爭，誰更有前景？
桂文莊：手術(shù)機(jī)器人肯定需要視覺技術(shù)。
張峰：現(xiàn)在氮化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛，早期做LED，又可以做射頻器件，最高可以達(dá)到百G赫茲。目前業(yè)內(nèi)在電力電子領(lǐng)域也想用氮化鎵，尤其是在硅上面長氮化鎵這個材料來做電力電子器件。在這個領(lǐng)域主要是用在600伏以下電壓等級的范圍。碳化硅關(guān)注的是600伏及以上的領(lǐng)域。實(shí)際上它們是有分工的，從600伏往上是碳化硅，從600伏往下是氮化鎵。在600伏這個邊界是有競爭的，硅的600伏器件也在競爭范圍內(nèi)。實(shí)際上有四種器件在競爭。碳化硅主要在600伏以上，比如說1200伏，甚至更高，1700、3300這個領(lǐng)域。600伏是競爭最激烈的一個領(lǐng)域。碳化硅的特點(diǎn)是散熱比較好，材料的質(zhì)量在第三代半導(dǎo)體比氮化鎵更高一些。氮化鎵的優(yōu)勢就是成本相對來說比碳化硅低。另外一方面，它工作的器件的頻率也比碳化硅高一些。各有優(yōu)勢，各有劣勢。
鈕應(yīng)喜：我們電網(wǎng)主要是碳化硅，我們電網(wǎng)需要的電壓越高越好，但是氮化鎵不適合做這個。
江德生：你剛才說電網(wǎng)要改成柔性電網(wǎng)，咱們國家的電網(wǎng)是世界上最大的綜合性電網(wǎng)，你怎么改成柔性電網(wǎng)？
鈕應(yīng)喜：柔性電網(wǎng)就是基于電力電子器件，相尤其是全控性的IGBT器件，使得電網(wǎng)的控制更加靈活，更加高效，也就是柔性化。
江德生：像我們國家電網(wǎng)的現(xiàn)狀，用到電力電子器件的程度大不大？
鈕應(yīng)喜：現(xiàn)在用的基本上都是硅的IGBT。而且未來電網(wǎng)包括特高壓、柔性直流、靈活交流對高壓器件的需求是特別大的，尤其碳化硅器件。但是現(xiàn)在碳化硅高壓器件都還不成熟，包括國際上也都還不太成熟，也只是部分研發(fā)樣品。
江德生：剛才說很多碳化硅專用的設(shè)備我們是缺的，但是碳化硅的器件加工和其他半導(dǎo)體加工是很不一樣的，跟一般的摻雜的設(shè)備是共用不了的，沒有這個設(shè)備連摻雜都摻雜不了。我們這種器件是怎么加工的呢？
鈕應(yīng)喜：碳化硅器件有它的材料特殊性，比如離子注入就不能在使用硅基常規(guī)的離子注入，必須采用特殊設(shè)備，我們把它叫做高能高溫離子注入。
江德生：離子注入會帶來損傷嗎？
鈕應(yīng)喜：會。后面必須高溫退火進(jìn)行處理，這個也是區(qū)別于硅基器件的設(shè)備。
張峰：高能離子注入，打進(jìn)去材料會造成離子損傷，會造成晶格的損傷。我們在注入的時候，加溫度彌補(bǔ)這個損傷，讓這個損傷盡量的小。后面我們注入完了之后，我們還會在很高的溫度下，比如說在1600度到1800度這個范圍內(nèi)，進(jìn)一步修復(fù)晶格損傷，讓我們注入的離子能夠激活。所以它的工藝步驟難度比較高，比硅要難很多。
林耀望：你們做這種都要經(jīng)過這么高溫度？
張峰：沒錯，碳化硅的特點(diǎn)就是加工工藝溫度很高，加工工藝步驟很難。一方面需要高溫高能的離子去打，另外一方面還需要把打進(jìn)去的離子在1600度到1800度進(jìn)行激活，產(chǎn)業(yè)界都是這樣做的，制造成本確實(shí)高一些，比硅要高，這是必然的，它的制作難度也比硅要大。
江德生：你剛才說要做到產(chǎn)業(yè)化不容易，這個是科研水平的瓶頸還是生產(chǎn)水平的瓶頸？
張峰：碳化硅的提高需要整個產(chǎn)業(yè)和我們整個科學(xué)界的結(jié)合。實(shí)際上碳化硅的二極管，我們國內(nèi)以及國外已經(jīng)可以把它產(chǎn)業(yè)化，已經(jīng)在批量銷售了，去年大概賣了幾百萬支的量級。另外一方面，我們和國外的科學(xué)研究的差距，產(chǎn)業(yè)的差距，大概三到五年的時間，其實(shí)需要我們科學(xué)院，或者我們在做科學(xué)研究的過程，要跟產(chǎn)業(yè)結(jié)合起來，要了解產(chǎn)業(yè)界對器件性能指標(biāo)的要求，對可靠性和穩(wěn)定性的要求?？煽啃院头€(wěn)定性的要求實(shí)際上也是一個重大課題，我們做科學(xué)研究的科研工作者對可靠性和穩(wěn)定性的研究偏少一點(diǎn)，沒有像我們做性能指標(biāo)那么關(guān)注，但是這個工作又是不得不做的地方。所以說我們需要往可靠性和穩(wěn)定性方面投入精力，來跟產(chǎn)業(yè)界進(jìn)行磨合，這也是需要時間的。所以說這兩個方面都要兼顧才可以。
王玉富：現(xiàn)在最普遍的就是電動汽車，需要大量的電源，這些到底用碳化硅做還是用氮化鎵做？
張峰：對于充電樁和電動汽車來講，電壓等級范圍至少是600伏以上，1200伏用的比較多。1200伏的話，氮化鎵還沒有量產(chǎn)。碳化硅主要的精力也就放在1200伏，而且它已經(jīng)量產(chǎn)了。充電樁和電動汽車用碳化硅更多一些，基本上目前這些電動汽車公司都是專注在碳化硅上面，包括比亞迪，包括特斯拉，包括豐田，他們也都是在碳化硅方面投入了更多的精力。
王玉富：我看了一下資料，第三代半導(dǎo)體應(yīng)用上面，把PFC（功率因子校正）作為重要的方向。從大的方面來講，半導(dǎo)體器件搞什么東西，就搞變換器，特別是對于電網(wǎng)的發(fā)展和建設(shè)來講，交流直流轉(zhuǎn)換是最最重要最最核心的方向。我們國家的第三代半導(dǎo)體與世界的先進(jìn)水平還有一定的差距，我們在趕超，可是在PFC變換器這一塊，我們已經(jīng)掐住了世界的脖子，我們?yōu)槭裁床话l(fā)展呢，為什么不以這個為核心帶動我們國家第三代半導(dǎo)體趕超世界先進(jìn)水平呢？為什么說這句話，就是因?yàn)檫@里有一個核心問題，我們走在了世界的前面。
江德生：現(xiàn)在我們在高壓輸電里邊的頻率大概是什么程度？
鈕應(yīng)喜：我們國家電網(wǎng)對頻率要求不是很高。比如柔性直流換流閥最低頻率一般70Hz，最高也不過兩百HZ。
何遠(yuǎn)光：我問一個管理上的問題，目前我們科研上你認(rèn)為順還是不順？怎么來保障碳化硅的研究，怎么來布局。第二個，你在產(chǎn)業(yè)化的過程中，有什么弊端和有什么困難。
張峰：我感覺半導(dǎo)體所對我們產(chǎn)業(yè)化支持是非常好的，他允許我們可以比較自由的去跟企業(yè)合作，企業(yè)也跟我們所建立很好的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，企業(yè)會給我們一些運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)費(fèi)。另外我們也從國家申請項(xiàng)目，包括科技部，包括自然基金委。如果科學(xué)院自己能夠在第三代半導(dǎo)體方面能夠再投入一些經(jīng)費(fèi)，或者是投入一些人力物力，在原有的基礎(chǔ)上再重視一下，比如說院里面的專項(xiàng)，還有是經(jīng)費(fèi)，能夠再重視，讓我們科學(xué)院的成果能夠跟企業(yè)更好地結(jié)合，這樣的話會更好一些。另外一方面，產(chǎn)業(yè)化結(jié)合的話，需要我們科學(xué)院科研人員走出去，需要跟企業(yè)同產(chǎn)業(yè)鏈的去結(jié)合。另外一方面我們還要跟產(chǎn)業(yè)鏈的下游去溝通，跟用我們這些研發(fā)器件的公司去溝通，需要跟用戶去溝通。他們覺得在用我們研發(fā)出來的芯片中出現(xiàn)什么問題，我們需要他的反饋，這樣的話能夠更加促進(jìn)我們成果進(jìn)行轉(zhuǎn)化，這個是比較關(guān)鍵的。比如說像比亞迪，比如說吉利，比如說格力空調(diào)，去跟他們銜接。
鄭紅軍：我們在半導(dǎo)體材料發(fā)展過程中，更重要的是要總結(jié)國際上發(fā)展比較好的企業(yè)，他們的成功和存在的問題，如何把我們碳化硅形成一個產(chǎn)業(yè)鏈，如何去做這件事情。咱們半導(dǎo)體所器件和外延都不錯，但是半導(dǎo)體所材料這一塊弱一點(diǎn)，只有一個材料組做化合物的。碳化硅襯底材料，咱們科學(xué)院物理所在做，怎么能夠把力量組合起來加快發(fā)展。還有下游企業(yè)發(fā)展過程當(dāng)中，它是一個整體，一個平臺往上走，你不能產(chǎn)業(yè)鏈這塊起來那塊落下去了，這樣發(fā)展是不平衡的，應(yīng)該把它接住，把應(yīng)用端也連起來。這個產(chǎn)業(yè)鏈一旦串起來，在共享平臺上發(fā)展，那就快了。器件這一塊，國內(nèi)發(fā)展最快的應(yīng)該是二級管這一塊，是在往產(chǎn)業(yè)化走，但是其他做的還都不太好。希望老科協(xié)能給我們多提一些建議，多想一想。
馬營：咱們既然提出來碳化硅這個產(chǎn)業(yè)方向了，它有沒有一種最基礎(chǔ)的最低層的，或者能跟別人在底層上有競爭力，比如說過去淘汰的工藝或者什么的，它能做大，它能把這個東西扔在市場上，你不買不要緊，扔在柜臺上，這個就跟應(yīng)用直接聯(lián)系了。中國人的應(yīng)用，我覺得你不用去引導(dǎo)他，你給他就行了。比如說碳化硅就用哪怕晶圓很小的，我就代替你一種器件，但是我能跟你實(shí)現(xiàn)競爭。
王玉富：我的理解是，碳化硅的應(yīng)用不是為了取代某個現(xiàn)在已經(jīng)用的很好的器件，而是要解決的是現(xiàn)在做的不好，或者做不了的。最后量產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化遇到的問題就是可靠性，而我們搞科研的追求的是高性能，突破性能某個指標(biāo)，可靠性和穩(wěn)定性是非常難的事情，科學(xué)院過去不是太重視。剛才講到一個問題，就是IGBT可靠性的問題，缺陷不僅很高，而且在使用過程中缺陷還會擴(kuò)大，這是不是有技術(shù)性的問題在里面？就是我們在怎么樣的工藝條件下才能把這些技術(shù)問題解決了，這些問題有沒有部署研究和安排，你們是怎么考慮的？
張峰：對于比如說IGBT是屬于雙極型器件，有一部分缺陷沒有避免掉，我們大概每平方厘米大概會有一個到兩個基平面位錯，我們在長外延的時候會有意的把它避免掉，或者把它轉(zhuǎn)移成缺陷較小的無關(guān)痛癢的缺陷，對器件性能影響不大的缺陷。如果避免不掉基平面位錯，我們器件在使用的過程中，這個缺陷會沿著外延會擴(kuò)展開來。在IGBT器件里面，我們在一萬伏和兩萬伏的器件，在如此高的電壓情況下，它這種缺陷是會延伸的。如果要解決這個問題，需要從根本上，從材料上面解決這個問題。我們襯底和外延一定要長的很完美，因?yàn)楝F(xiàn)在硅很完美，硅完美到什么程度，我在一個晶圓上做一個器件都可以很可靠地把它完成。像一些大功率的器件，硅的完美程度是整個面上缺陷僅有個位數(shù)，甚至更低。我們碳化硅還需要向硅方面去努力，現(xiàn)在一個平方厘米上有幾千個缺陷，我們需要再進(jìn)一步的把這個缺陷進(jìn)行閉合。我們希望碳化硅能夠也在未來的五到十年，也能夠達(dá)到個位數(shù)缺陷，這是我們的追求。這樣的話我們在做IGBT器件過程中，可靠性問題就會有很大程度上的解決。歸根到底就是材料的問題?，F(xiàn)在碳化硅的晶錠生長是用物理氣象傳輸?shù)姆椒ㄈドL，在生長過程中，它的溫度的均勻性，以及在生長過程中應(yīng)力的釋放，它里邊種種問題還沒有根本上完全解決，只能是說在一定程度上解決。需要我們在生長方法上，在生長工藝上進(jìn)一步的去研究，使得我們整個材料能夠從根本的質(zhì)量上有質(zhì)的飛躍，這是下一步需要解決的問題，也是我們努力的方向。
鄭紅軍：位錯有好幾種，晶片的位錯統(tǒng)計(jì)有每平方厘米多少個，在這個基礎(chǔ)上你做外延，這個對你后端的產(chǎn)率有多大的影響？比如說你做一千個管芯，允許淘汰的部分有一百個，而這個淘汰的大部分是以這種缺陷為主。
張峰：對于一萬伏以下的器件，比如說像1200伏、600伏、3300伏，大部分位錯對它的影響不大。我們每平方厘米可能會有一個到兩個對器件影響比較大的缺陷，我們會通過外延的方法把這種缺陷閉合掉，或者給它轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化成一種對器件影響不大的缺陷。而且在600伏、1200伏、3300伏這個電壓等級上，它不會造成器件缺陷的擴(kuò)展。外延層比較薄，電壓也不高，對缺陷的擴(kuò)展沒有那么劇烈，不像一萬伏兩萬伏的這種器件那么厲害。我們對于高產(chǎn)能的情況下，對缺陷要求更高，一萬伏的器件對缺陷要求最高的。我們希望這個缺陷能降到零。
王炳燊：現(xiàn)在哪種襯底長出來的碳化硅最好？能用藍(lán)寶石嗎？
張峰：目前大部分用的都是碳化硅上長碳化硅，因?yàn)榫Ц窬蜎]有失配，這是第一方面。第二，碳化硅本身導(dǎo)熱比較好，所以說碳化硅襯底本身導(dǎo)熱是最好的，它的導(dǎo)熱率可以達(dá)到4.9，跟銅是一樣的。藍(lán)寶石本身是一個高絕熱的東西，而且它絕熱性比較強(qiáng)，所以它導(dǎo)熱不行，藍(lán)寶石是導(dǎo)熱最低的，所以肯定不會用藍(lán)寶石去做高壓高熱大電流的襯底。硅上長碳化硅，它的失配比較大，它生長出來的材料外延的質(zhì)量不夠好，包括晶格失配，也包括熱失配，硅本身的熱導(dǎo)率沒有碳化硅高，碳化硅是硅的熱導(dǎo)率三倍左右。所以我們輕易不會考慮用硅去做襯底。因?yàn)闀斐煽煽啃韵陆?，穩(wěn)定性下降，還會導(dǎo)致生長的外延缺陷更多。我們首選的是在碳化硅上長碳化硅，這種長出來的質(zhì)量最高，熱導(dǎo)率最好，缺陷最低。碳化硅上長碳化硅成本是最高的，這是毫無疑問的，但是隨著晶原尺寸的變大，每年的價(jià)格會降低20%，所以我們相信成本在未來的趨勢是在下降的。
桂文莊：今天討論了一個非常重要的問題，電力電子器件的問題一直是科學(xué)院非常關(guān)注的一件事。我已經(jīng)退休十幾年了，那個時候就把電力電子器件問題作為一個問題討論。十幾年以后，我們工作做的還是很不錯的，起碼物理學(xué)的硅材料長的很好了，你們現(xiàn)在外延材料做的不錯，而且器件工藝什么東西也都有轉(zhuǎn)移，整個這些工作是在往前走的。我們現(xiàn)在和國際上還是有三到五年的差距，看這個材料上面表現(xiàn)的這個結(jié)果，現(xiàn)在我們差距不是從研究水平的差距，而是從批量產(chǎn)業(yè)化的差距，還是蠻大的，不知道三到五年能不能趕上。因?yàn)檫@里頭涉及到的問題太多了，而且我們這個產(chǎn)業(yè)沒有基礎(chǔ)，也缺少像美國這樣有實(shí)力、歷史悠久，而且自己研發(fā)能力也很強(qiáng)的公司。
最近大家都關(guān)注中興事件，中興事件出來以后暴露出來一個問題，人家一旦不供應(yīng)我們芯片，我們整個產(chǎn)業(yè)就要關(guān)門了，到了這么危險(xiǎn)的程度。所以現(xiàn)在大家都非常關(guān)注我們國家怎么樣能夠走出一條自主發(fā)展的道路。雖然說從全世界來說，世界是一個大市場，我們不可能包攬所有的東西，我們也不應(yīng)該去把所有的東西都封閉起來自己做，外面有能用的，我們當(dāng)然要用，因?yàn)楝F(xiàn)在國際上哪一個大公司的生產(chǎn)都不是只采購他們自己的，也不是只采購他們國內(nèi)的，當(dāng)然要走這條路。但是反過來，那些非常關(guān)鍵的，攸關(guān)國家的安全和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)，我們自己必須掌握。我們國家是個大國，我們的國際環(huán)境又是這樣的環(huán)境，美國雖然表面上跟我們說友好，實(shí)際上千方百計(jì)在限制我們發(fā)展。美國商務(wù)部長說就是要讓你們感受到痛，所以才制裁你。瞄準(zhǔn)我們對付我們的就是中國制造2025的戰(zhàn)略目標(biāo)，不要你發(fā)展。這種環(huán)境下，我們?nèi)绻约翰徽莆兆约悍浅ｊP(guān)鍵的技術(shù)，我們怎么能夠?qū)崿F(xiàn)國家兩個一百年的目標(biāo)呢？所以我覺得今天這個會非常重要，電力電子器件也是我們國家下一步要發(fā)展的非常關(guān)鍵的問題，所以這個會開的非常好。我感覺咱們半導(dǎo)體所老科協(xié)是抓住了今后發(fā)展的關(guān)鍵問題在討論，非常好，希望能夠通過這個會議能夠形成一點(diǎn)意見，能夠?qū)?，對我們科學(xué)院進(jìn)一步的部署有一定建議和意見提出來。這是一個想說的。
第二個，我們現(xiàn)在的科研的問題是什么，我們搞器件，搞材料的，以前關(guān)注的是它的性能指標(biāo)，只要突破了它的性能指標(biāo)，我可以發(fā)很高檔的文章。但是要做出一個性能好的，可以從一千件里頭挑出一件，但是從你做一件到十件，從十件做到一千件一萬件的時候，這個過程是很困難的，不是我們搞科研的發(fā)發(fā)文章就能出來的。剛才提到可靠性穩(wěn)定性的問題，仍然是我們科學(xué)院搞器件搞材料的要非常關(guān)注的問題。其實(shí)這里頭有很多基礎(chǔ)性的問題在里面，可能很多時間發(fā)不了文章，一旦解決了里頭技術(shù)性的問題，或者有新的突破，比方說現(xiàn)在我們是這個辦法，我有沒有創(chuàng)新的思想完全解決這個問題呢？所以這里頭有很多深入的問題在里頭。其實(shí)工藝條件是牽扯到非常多的基礎(chǔ)物理問題和化學(xué)問題在里面。我想我們恐怕在這方面要關(guān)注一下。
剛才大家都在說，為什么我們50年代60年代我們半導(dǎo)體所成立的時候，那時候沒有這些問題。那時候大家關(guān)注的是怎么解決國家的問題，國家的事情擺在那兒需要我們?nèi)ソ鉀Q，叫你們科學(xué)院干，你們不干，行嗎？你可以不發(fā)一篇文章，你得把問題給我解決了?，F(xiàn)在我們不發(fā)文章不行，還要發(fā)高端的。當(dāng)然我覺得那也是需要的，咱們科學(xué)院發(fā)展到這一步，你那些基礎(chǔ)理論創(chuàng)新的東西當(dāng)然要做，不做我們哪有后勁兒。但是我們這些事情也得做，因?yàn)槭菄倚枰摹?/p>
我很高興張峰博士和企業(yè)結(jié)合得非常好。十幾年二十多年前我們想結(jié)合還很困難，一個是企業(yè)不肯投資，那時候企業(yè)恨不得你給我做出一個非常完善的產(chǎn)品出來，我照貓畫虎就可以生產(chǎn)一大批，就可以賺錢。現(xiàn)在不是這樣了，現(xiàn)在的企業(yè)肯投資了。像我們物理所的碳化硅材料產(chǎn)業(yè)化要是沒企業(yè)投資能做到現(xiàn)在嗎？靠科學(xué)院那點(diǎn)科研經(jīng)費(fèi)是做不到的。所以一定要找到企業(yè)的投資，把這種大的環(huán)境逐步的形成。我覺得我們國家已經(jīng)發(fā)展到這樣的程度，企業(yè)有足夠多的錢，只要我們有好東西，能說服企業(yè)家去投，這事情發(fā)展就很快。馬云怎么會對搞量子通訊和量子芯片感興趣？當(dāng)然這里頭有很多其他的原因，咱們不去評論那些事情。但是我講有一條，現(xiàn)在企業(yè)家是有錢的，中國是有錢的。在這個環(huán)境下要盡量的更好的和企業(yè)密切結(jié)合起來。尤其是往后走，往產(chǎn)業(yè)化走，要解決工藝技術(shù)問題，如果不和企業(yè)結(jié)合起來走，一定是死路一條，在科學(xué)院這個范圍是走不下去的。張博士創(chuàng)造了非常好的路子，很好。咱們半導(dǎo)體所作為科學(xué)院的研究所，一定要把最前沿的科學(xué)理論上，世界上還沒有的理論拿出來，我們可以做原創(chuàng)性的東西出來；但是另一方面，國家急需要解決的問題你解決不了，你光在那兒說前沿的也不行。我也不贊成像張峰這樣的，對應(yīng)用這么關(guān)切，這么重大的事情正在努力去做的，叫他去做那些非常非常基礎(chǔ)的東西，那不行。還是要有人做基礎(chǔ)的，有人做應(yīng)用的，這樣才是一個和諧的社會。所以今天我開完這個會我有這么兩點(diǎn)體會，我覺得我們半導(dǎo)體所，張峰博士年輕一代起來，一定能給國家做出大貢獻(xiàn)。希望把今天會議討論的內(nèi)容整理出來，最后如果能討論點(diǎn)具體的意見就很好了。
夏建白：剛才說了要形成一個意見，開完會要形成意見，我過兩天就要開一個會議，就是討論第三代半導(dǎo)體。碳化硅是一個很重要的一部分，包括氮化鎵，還有氯化氫，到時候請兩位去參加一下會議。這是我想說的一點(diǎn)，咱們要盡快形成一個意見，對國家提出一個發(fā)展的方向。
第二條，現(xiàn)在的碳化硅的狀態(tài)跟當(dāng)年氮化鎵LED差不多，當(dāng)年差不多全民都在搞那個，經(jīng)過十年以后，氮化鎵LED真是發(fā)展的很快，尖端的還沒有，但是現(xiàn)在已經(jīng)很普及了，LED價(jià)錢也下來了。現(xiàn)在我想碳化硅也是這樣，市場的前景還是很大的，不光是電網(wǎng)，還有電動汽車，充電樁。剛才說了，咱們國家電動汽車的產(chǎn)量已經(jīng)占了三分之二，而且咱們國家的市場還是很大的?，F(xiàn)在碳化硅的狀況就像十年以前氮化鎵LED，當(dāng)然難度要比LED大多了，當(dāng)年所有企業(yè)隨便一下子都能做?，F(xiàn)在電網(wǎng)公司已經(jīng)做實(shí)踐了，張風(fēng)這支隊(duì)伍也要做大，希望以后能有越來越多的企業(yè)參與進(jìn)來。
