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功率半导体器件的现状和发展趋势

主办单位: 中国科学院老科协
承办单位:中科院老科协半导体所分会  民主同盟中科院半导体所支部  中科院半导体所离退休办公室
举办时间:2018-07-23       【字号: 访问量:

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简介        
主持人致辞        
主旨报告            
邀请报告            
交流与讨论        
主要专家简介:
  1. 王玉富(主持人):中科院半导体所高级工程师,院老科协半导体所分会理事长
  2. 张峰(主旨报告):中国科学院半导体研究所研究员,博士生导师。2008 年获得厦门大学理学博士学位。2009年-2011年任美国加州大学洛杉矶分校 (UCLA)        博士后。 2011年至今任职于中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室研究员。目前为青年“973”总负责人,中国材料学会青委会理事,中国科学院青年创新促进   会优秀会员,第三代半导体卓越创新青年,北京市科技新星。主要从事宽禁带半导体SiC材料与电子器件研究工作。
  3. 钮应喜(邀请报告):全球能源互联网研究院有限公司,高级开发师,项目经理。主要从事大功率碳化硅电力电子材料及器件的研制,规划组建了电力系统高压器件用碳化硅外延材料生长平台,主持完成了多项国家高技术计划项目、国家重点计划项目和国家电网公司的重大科技项目。
  4. (以下按姓氏笔画排列)
  5. 马  营:国家光伏扶贫委员会秘书长
  6. 王炳燊:中科院半导体所研究员
  7. 冯仁国:半导体研究所党委书记兼副所长
  8. 向贤碧:中科院半导体所高级工程师
  9. 刘巽琅:中科院半导体所研究员
  10. 江德生:中科院半导体所研究员
  11. 何远光:中科院老科协执行理事长兼秘书长
  12. 张志林:中科院老科协理事会顾问、原副理事长
  13. 张建孝:山东共济股权投资基金会董事长
  14. 陆文兰:中科院半导体所高级工程师
  15. 林耀望:中科院半导体所研究员
  16. 郑一阳:中科院半导体所研究员
  17. 郑红军:中科院半导体所高级工程师、院老科协半导体所分会理事
  18. 赵  隆:内蒙古自治区电子研究所高级工程师
  19. 种  明:中科院半导体所研究员
  20. 胡雄伟:中科院半导体所研究员
  21. 桂文庄:中科院老科协副理事长、原中科院高技术局局长、研究员
  22. 夏建白:中科院半导体所研究员、中科院院士
  23. 焦景华:中科院半导体所研究员
  24. 廖显伯:中科院半导体所研究员
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【简介】

电力电子是现代科学、工业、国防和日常生活的重要支撑技术,而功率器件是其核心和基础。第三代宽禁带半导体特别是碳化硅(SiC)功率器件具有优异的物理性能,其发展和成熟必将极大地促进电力电子及相关产业的发展,特别是电网改造建设、绿色能源、电动汽车等。世界各发达国家对碳化硅的研究非常重视,纷纷投入大量的人力物力。如美国、欧洲、日本等都从国家层面上制定了相应的研究规划。再有,一些国际电子业巨头也都投入巨资发展碳化硅半导体器件,并已经进入商品化的初级阶段。沙龙探讨了我国在这一领域的科研生产及商品化现状和发展策略,对碳化硅(SiC)功率器件用于电网改造和建设做了重点讨论。

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【主持人致辞】

王玉富:在国际限制、禁止产销燃油车、发展电动车的形势之下,我们这样一个沙龙,意义非常大。大家最近还特别关注芯片,我自己感觉,芯片我们肯定要改变目前对美国依赖的现状,核心技术我们不能受制于人。再有是搞新能源,也离不开电力电子。今天的沙龙就是讨论碳化硅电力电子的发展现状和问题。下面请张峰研究员作主旨报告。

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【主旨报告】

张峰:第三代半导体SiC 外延、器件与应用研究

1. 第三代半导体碳化硅器件的应用

碳化硅(SiC)是一种优异性能的宽禁带半导体,不但具有禁带宽、热导率高、临界电场高、饱和电子漂移速率高,而且还具有极好的物理及化学稳定性、极强的抗辐照能力和机械强度等,可用于研制高温大功率电力电子器件和严酷环境下的抗辐照传感器。

图1  碳化硅功率器件的应用及其优异性能

以碳化硅(SiC)为代表的宽禁带半导体大功率器件是目前在电力电子领域发展最快的新型半导体功率器件。碳化硅器件在高压直流输电,以及绿色能源,机车牵引高铁,新能源汽车方面有很好的应用潜力。应用于高压直流输电领域,具有高效节能的特点。在绿色能源方面,碳化硅本身的可靠性和稳定性比较好,适合在苛刻的环境里面使用。在机车牵引领域,用碳化硅MOSFET取代硅IGBT,可提高工作频率。碳化硅也非常适合应用于电动汽车以及混动汽车,因为用它做出来的PCU的体积小,效率高,可提高电动汽车的能量利用效率。

2. 第三代半导体碳化硅材料与器件的发展


图2 碳化硅材料与器件的发展

碳化硅材料的发展是非常迅速的,从1990年开始,2英寸的碳化硅出现之后,到2015年8英寸的碳化硅也已经出现了,但是8英寸的碳化硅材料质量还不够成熟,现在最成熟的是4英寸和6英寸的。现在量产的情况是4英寸晶片在往6英寸转,有一些国外的企业已经大规模使用6英寸碳化硅了,目前国内有很多6英寸硅的生产厂,把硅的设备改成碳化硅的设备,再添加一些碳化硅专用设备,就可以进行6英寸碳化硅的流片。

实际上,碳化硅跟硅的产业链比较相近,碳化硅晶片的制备是在2200度以上的温度下,把硅粉和碳粉混合升华,在籽晶上进行冷凝,形成晶碇,这个晶锭比较薄,大概是3-4厘米。对这个晶锭进行切磨抛之后,可以形成碳化硅晶片。另外还需要在碳化硅晶片上长一层外延,这层外延的作用就是耐高压。器件研制就是在外延片上进行光刻、扩散、刻蚀、注入、沉积等一系列工艺的整合。碳化硅的电力电子器件跟Si的电力电子器件相比能耐更高的电压。对于碳化硅,二级管也可以做到一万伏以上,但是会出现一些问题,比如说在边角的地方,电场集中的地方容易造成击穿。为了避免这种情况,我们把它做成PIN的器件,这样可以有效减缓在边角地方造成的击穿。但是做成PIN器件也有不好的地方,因为碳化硅本身的本征载流子浓度非常低,如果想让它把这个PIN导通的话,需要三伏以上的电压才能导通。硅就不用那么高,只需要0.7伏到0.9伏电压就可以把PIN器件导通。为了器件性能优化,我们把PIN和肖特基二极管结合起来,这个器件称之为JBS器件,它是把PIN的区域分开,分成一个一个的小区域。现在最高的JBS器件可以达到一万伏以上的电压。

3. 第三代半导体碳化硅器件的历史与展望

图3 碳化硅功率器件的发展历史

下面简单介绍一下单极型器件和双极型器件。在2001年的时候,碳化硅二极管进行产业化,由于早期可靠性问题,它的作用没有那么明显,没有引起市场上的重视。到2011年,碳化硅MOSFET的出现引起了市场的高潮,后面很多厂商加入进来做碳化硅的生产,包括国家电网和中车也加入进来。我们最近研发出了碳化硅IGBT器件,目前的反向电压可以达到一万伏。另外一方面就是它正向的导通电流可以达到50安培每平方厘米,非常适合于一万伏以上的电力系统的应用。目前万伏碳化硅IGBT器件的产业化还需要碳化硅材料和高压器件的进一步发展。

经历几十年的漫长发展,宽禁带半导体SiC终于迎来了春天,进入飞速发展时期,在不久的将来有望在电力电子领域实现广泛应用。随着6英寸SiC单晶衬底和外延晶片的缺陷降低和质量提高,使得SiC器件制备能够在目前现有6英寸Si基功率器件生长线上进行,这将进一步降低SiC材料和器件成本,推进SiC器件和模块的普及。目前SiC基二极管已经初步展示了其损耗低、频率高和耐高温等优越性。随着SiC基MOSFET和IGBT器件的日益成熟,全SiC模块有望在绿色能源逆变器和电动汽车功率模块上率先应用。在1000V以上的中高压领域,SiC材料和器件将会逐步展现其优越特性,弥补Si材料在该领域的不足。展望未来,SiC材料与电力电子器件的发展和应用将成为电力电子发展的一个重要里程碑!

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【邀请报告】

钮应喜:碳化硅电力电子器件在电力系统中的应用和需求

 1. 碳化硅在电力系统中的应用分析

我国已经建成世界上规模最大、最复杂的电网,同时可再生能源的装机量也是世界最大,由于长距离、大容量输电等特点使得柔性直流、灵活交流输电等先进的输电技术得到广发的应用。随着可再生能源的进一步开发,加剧了电网的复杂性和控制难度,亟需提高电网的安全性、灵活性和可控制。这就需要我们开发性能更加优越的电力电子器件。

图4 我国的电网

在未来柔性半导体电网中,电力电子装备无处不在,发电侧的光伏逆变器,输电侧的灵活交流、柔性直流,变电侧的变电站,配电侧的定制电力,对电力电子器件的应用也就无处不在,在发电、输电、变电、配电、用电、整个过程发挥着重要的作用。

2. 电力系统对SiC电力电子器件的需求

在电力装备中电力电子器件是最重要的部分之一,但是,目前电网输送电压500kV、800kV甚至达到1100kV,最基本的电力电子器件,Si器件,已经达到了由Si材料性能确定的极限,难以满足智能电网的要求,更高电压、更大容量、更高效率、更高结温,亟需新型战略性的材料器件体系。SiC材料的禁带宽度是Si的3倍,临界击穿场强8倍,热导率是3倍,材料性能优势明显。SiC器件的耐压是Si器件的10倍,电流密度3倍,频率是Si的10倍,是制备高电压、大功率器件的新型战略性材料。

图5 碳化硅材料器件的优势

3. 高压SiC器件的研究进展

虽然在低压领域SiC已经进入产业。但是在高压领域,不管是国内还是国外都还处于研发阶段。由于材料的优势,国外的研发进度要领先一些,日本京都大学在3年前就研发了26.5kV的PiN二极管,美国的Cree公司在也在3年前就研发了20.7kV的IGBT。国内在引进先进的厚膜外延设备后,厚膜外延材料制备技术得到进步,最近也在高压器件方面做了一些成绩,比如中电55所在2016年报道了17kV 的PiN二极管,在2018年报道了12kV 的IGBT,说明国内材料在一步步进度,器件的差距也和国外渐渐缩小。

图6 国外高压器件的研究进展

4. 总结及展望

未来电网对效率、可靠性、稳定运行要求更高,需进一步提升大电网运营控制能力。远距离柔直输电要求电力电子器件具有更高电压、更大容量、更高结温;新能源并网要求器件具有更高的转换效率;智能变电站和新型电力电子装置要求全控型电力电子器件。电力电子器件是电力电子装置的核心元器件,是智能电网,全球能源互联网发展的重要支撑。

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【讨论与交流】

郑红军:张峰的报告,侧重在碳化硅外延这部分,在外延可能会产生缺陷,我关心这些缺陷的类型和衬底缺陷之间的相互关系,是衬底缺陷的延伸,还是在外延过程当中所产生的缺陷?因为这些缺陷后来对我们影响比较大。

张峰:郑老师这个问题非常好,也是非常专业的问题。我通过这个图解释一下,实际上深绿色的这个地方是衬底的缺陷,有一些基平面位错的缺陷可以通过外延生长的方法把它转化成一些非基平面位错的缺陷,把它转成刃位错的缺陷,这样对器件影响就比较小了。但是如果转化的不好的话,它还是延续原来的基平面位错的缺陷,这样对器件影响是比较大的。我们希望把衬底微管的缺陷闭合掉,一个是微管的闭合,一个是BPD出现的转化。这样我们在碳化硅外延的时候,能够使得碳化硅外延的质量比衬底的质量更高,使得我们整个晶圆更适合做碳化硅器件。衬底的缺陷如果转化不了的话,整个外延就会很难得到应用。我们希望把衬底微管那些危害比较大的缺陷转化为危害比较小的缺陷,这样更适合做器件应用。

陆文兰:你的外延片如果要生产的话衬底能不能供上?

张峰:目前情况下还是可以的,我们通过国外购买,也从国内两家公司购买,目前还是可以满足我们的需求的。未来如果我们再扩产的话,需要外延公司给我们配合,需要他们那边扩产,才能满足我们的需求。目前是可以的,但是后面需求量就更大。

陆文兰:你刚才说碳化硅IGBT到现在都没有产业化,它的困难是什么?

张峰:碳化硅现在目前最主要产业化的困难是它是非常高压的器件,一般情况下我们在一万伏以上的情况下才会用到IGBT这种结构。一万伏的器件实际上对终端的可靠性的要求,以及对整个缺陷的密度的要求,都是非常非常高的。我们现在目前实验室可以做到一万伏到两万伏这种级别的器件,但是它离产业化还是有距离。产业化的需求不仅仅是你的各项指标能够达到要求,还需要长时间5年10年还能保证性能的稳定,这才是能够真正产业化的目标。现在实际上我们指标可以做到,但是它可靠性稳定性这方面需要加强,因为它表面的缺陷还是比较多,在长时间工作之后,它一些缺陷会扩展,内部的缺陷扩展之后,会导致整个器件寿命下降比较厉害。实验室到产业化之间还有很远的距离,我相信再过5到10年会有新的结果出来,这样的话距离产业化会更近一些。

目前碳化硅有200多种晶型,最常见的就是6H、4H、3C,6H这种材料的禁带宽度比4H窄,它耐压的情况比4H也低。4H是碳化硅里面耐压最好,电子迁移率最高的一种材料。所以说我们才会选用4H碳化硅来做器件的材料。

王玉富:希望我们的沙龙变成一个纽带,把第三代半导体和电网结合起来,正向钮老师说的这样,碳化硅是为电网而生,这是碳化硅能够迅速发展的核心因素。

林耀望:我提一个问题,碳化硅能不能做成超晶格,我有一个想法,碳化硅要超越,估计要有一个新的设想,用超晶格的办法。这是第一个想法。第二个想法,我本身的经历,曾经用超晶格的办法来抑制缺陷,能不能考虑超晶格,通过材料生长力学的原理来抑制缺陷的生长,从而改进外延层的质量。我不知道有没有这种可能。

张峰:您提的问题非常专业。碳化硅跟氮化镓不一样,氮化镓可以通过铝镓氮来调节它的带隙,来形成超晶格的结构,可以根据它的剩余极化跟它本身的自发极化能够形成二维电子气,这是氮化镓的特点。所以氮化镓可以实现超晶核结构。碳化硅为什么不能够形成超晶格结构呢?本身碳化硅跟别的元素都不兼容。比如说我在碳化硅里面形成铝硅碳这些东西,形成不了很好的单晶,形成不了很好的单晶薄膜。而且碳化硅和碳化硅之间,比如说4H碳化硅跟3C碳化硅之间我们也试过,由于它的晶格匹配失配量非常大,这两种碳化硅结合在一起的话,中间的失配很大,就会导致在一种材料上生长另外一种材料,它的质量非常不好。这样的话就很难形成二维电子气,也很难形成很高质量的超晶格结构。因为超晶格结构首要条件就是晶格失配要很小,而且要形成很高质量的单晶薄膜。碳化硅不具备这两种条件,所以现在形成不了超晶格的结构。

还有就是它的缺陷通过压应力和张应力来降低。现在碳化硅本身应力是比较大的,我们不希望它内部的应力太大。在长单晶的时候,如果你的应力很大的话,单晶变厚的话,它容易裂掉,使得你整个的晶锭会不好。而且我们为了让这个晶锭能够很完美地存在,我们还会通过一些方法释放应力。其实我们不希望它的张应力或压应力太强,希望它把应力完全释放掉,让它的晶体生长比较完美。这样的话它的缺陷量会更少一些。郑老师再补充两句。

郑红军:刚才张峰老师的报告,在前面一部分我感受比较深。第一个,对三代半导体材料有一个说明,就把硅、砷化镓、碳化硅这三代材料不同的特性表达的很清楚。这三代材料,从熔点来看,硅材料是1420度,砷化镓是1238度,碳化硅是2200多度。从熔点上差异比较大。另外一点,从硬度上,刚才说的叫刀枪不入,实际上它的硬度仅次于金刚石。由于它这些硬性的东西,我们在讲它的禁带宽度也好,热导率也好,抗辐射也好,等等N个参数,它们之间都是不可比的。因此碳化硅芯片这种晶体的生长和晶圆尺寸的放大都存在一定难度。

这两天我看了一点材料,科锐公司1955年就开始研发,而1991年他们做出的碳化硅是6H晶型的,1994年发展到了三英寸4H晶型,这些年的发展已经到了4寸6寸,完全进入了一个产业化生产。可是我们国内跟人家比的话,差距很大。从衬底来看,一直在说,据目前我了解,他们6寸已经量产了,4寸标准化生产,2寸已经取消,几乎不做了。而6寸和4寸都是中电五十五所在用。从中电五十五所半导体生产线的数据来看,他们现在大部分都是在600伏到1200伏,去年年产达到了30万。这是最近我为了大家了解这方面的数据,特地给老科协发了这篇文章。他们一年能够常规量产的600伏到1200伏的,几百万,已经完全做了一个标准化的产品,在市场很有占有率。这个产业链都已经搭起来了。

刚才我也想了一下,碳化硅和氮化镓,它们在物理性能上有些地方相似,但是氮化镓到现在它只能通过外延的方法。硅片直径大,有它的优势,但是氮化镓只能做到一千伏以下,不能再往上做。国内通常电源600伏以下可以,充电桩是1200伏,如果在光伏逆变器上就要3000伏,它是不一样的。但是功率要做大,出现两个问题,第一个问题,外延层要厚,跟电源有关;第二个问题,管芯面积要大,电流就会大。这管芯面积到底跟什么有关系呢?我们三代材料,碳化硅做到现在,做到了6寸,虽然微管少了,但是不是没有,它的位错目前还是解决不了。位错导致管芯的面积受到了限制,那它整个功率就上不来,功率上不来电流和电压就不稳。

有时间大家多了解了解,确实国家非常重视碳化硅和氮化镓。本来7月9号在北京有一个亚太地区的碳化硅及相关材料的国际会议。这是军品上的需要,你像美国重点发展,如果做成一个器件,做成一个模块,如果它的体积减小,它的损耗率下降,如果一个舰艇上把重量减小了,把体积减小了,那你想想,从能源上他会得到多少好处。

王炳燊:我问一个问题,报告人和大家讨论了碳化硅,碳化硅和氮化镓是什么关系,是互补还是竞争,谁更有前景?

桂文庄:手术机器人肯定需要视觉技术。

张峰:现在氮化镓的应用领域比较广泛,早期做LED,又可以做射频器件,最高可以达到百G赫兹。目前业内在电力电子领域也想用氮化镓,尤其是在硅上面长氮化镓这个材料来做电力电子器件。在这个领域主要是用在600伏以下电压等级的范围。碳化硅关注的是600伏及以上的领域。实际上它们是有分工的,从600伏往上是碳化硅,从600伏往下是氮化镓。在600伏这个边界是有竞争的,硅的600伏器件也在竞争范围内。实际上有四种器件在竞争。碳化硅主要在600伏以上,比如说1200伏,甚至更高,1700、3300这个领域。600伏是竞争最激烈的一个领域。碳化硅的特点是散热比较好,材料的质量在第三代半导体比氮化镓更高一些。氮化镓的优势就是成本相对来说比碳化硅低。另外一方面,它工作的器件的频率也比碳化硅高一些。各有优势,各有劣势。

钮应喜:我们电网主要是碳化硅,我们电网需要的电压越高越好,但是氮化镓不适合做这个。

江德生:你刚才说电网要改成柔性电网,咱们国家的电网是世界上最大的综合性电网,你怎么改成柔性电网?

钮应喜:柔性电网就是基于电力电子器件,相尤其是全控性的IGBT器件,使得电网的控制更加灵活,更加高效,也就是柔性化。

江德生:像我们国家电网的现状,用到电力电子器件的程度大不大?

钮应喜:现在用的基本上都是硅的IGBT。而且未来电网包括特高压、柔性直流、灵活交流对高压器件的需求是特别大的,尤其碳化硅器件。但是现在碳化硅高压器件都还不成熟,包括国际上也都还不太成熟,也只是部分研发样品。

江德生:刚才说很多碳化硅专用的设备我们是缺的,但是碳化硅的器件加工和其他半导体加工是很不一样的,跟一般的掺杂的设备是共用不了的,没有这个设备连掺杂都掺杂不了。我们这种器件是怎么加工的呢?

钮应喜:碳化硅器件有它的材料特殊性,比如离子注入就不能在使用硅基常规的离子注入,必须采用特殊设备,我们把它叫做高能高温离子注入。

江德生:离子注入会带来损伤吗?

钮应喜:会。后面必须高温退火进行处理,这个也是区别于硅基器件的设备。

张峰:高能离子注入,打进去材料会造成离子损伤,会造成晶格的损伤。我们在注入的时候,加温度弥补这个损伤,让这个损伤尽量的小。后面我们注入完了之后,我们还会在很高的温度下,比如说在1600度到1800度这个范围内,进一步修复晶格损伤,让我们注入的离子能够激活。所以它的工艺步骤难度比较高,比硅要难很多。

林耀望:你们做这种都要经过这么高温度?

张峰:没错,碳化硅的特点就是加工工艺温度很高,加工工艺步骤很难。一方面需要高温高能的离子去打,另外一方面还需要把打进去的离子在1600度到1800度进行激活,产业界都是这样做的,制造成本确实高一些,比硅要高,这是必然的,它的制作难度也比硅要大。

江德生:你刚才说要做到产业化不容易,这个是科研水平的瓶颈还是生产水平的瓶颈?

张峰:碳化硅的提高需要整个产业和我们整个科学界的结合。实际上碳化硅的二极管,我们国内以及国外已经可以把它产业化,已经在批量销售了,去年大概卖了几百万支的量级。另外一方面,我们和国外的科学研究的差距,产业的差距,大概三到五年的时间,其实需要我们科学院,或者我们在做科学研究的过程,要跟产业结合起来,要了解产业界对器件性能指标的要求,对可靠性和稳定性的要求。可靠性和稳定性的要求实际上也是一个重大课题,我们做科学研究的科研工作者对可靠性和稳定性的研究偏少一点,没有像我们做性能指标那么关注,但是这个工作又是不得不做的地方。所以说我们需要往可靠性和稳定性方面投入精力,来跟产业界进行磨合,这也是需要时间的。所以说这两个方面都要兼顾才可以。

王玉富:现在最普遍的就是电动汽车,需要大量的电源,这些到底用碳化硅做还是用氮化镓做?

张峰:对于充电桩和电动汽车来讲,电压等级范围至少是600伏以上,1200伏用的比较多。1200伏的话,氮化镓还没有量产。碳化硅主要的精力也就放在1200伏,而且它已经量产了。充电桩和电动汽车用碳化硅更多一些,基本上目前这些电动汽车公司都是专注在碳化硅上面,包括比亚迪,包括特斯拉,包括丰田,他们也都是在碳化硅方面投入了更多的精力。

王玉富:我看了一下资料,第三代半导体应用上面,把PFC(功率因子校正)作为重要的方向。从大的方面来讲,半导体器件搞什么东西,就搞变换器,特别是对于电网的发展和建设来讲,交流直流转换是最最重要最最核心的方向。我们国家的第三代半导体与世界的先进水平还有一定的差距,我们在赶超,可是在PFC变换器这一块,我们已经掐住了世界的脖子,我们为什么不发展呢,为什么不以这个为核心带动我们国家第三代半导体赶超世界先进水平呢?为什么说这句话,就是因为这里有一个核心问题,我们走在了世界的前面。

江德生:现在我们在高压输电里边的频率大概是什么程度?

钮应喜:我们国家电网对频率要求不是很高。比如柔性直流换流阀最低频率一般70Hz,最高也不过两百HZ。

何远光:我问一个管理上的问题,目前我们科研上你认为顺还是不顺?怎么来保障碳化硅的研究,怎么来布局。第二个,你在产业化的过程中,有什么弊端和有什么困难。

张峰:我感觉半导体所对我们产业化支持是非常好的,他允许我们可以比较自由的去跟企业合作,企业也跟我们所建立很好的联合实验室,企业会给我们一些运转经费。另外我们也从国家申请项目,包括科技部,包括自然基金委。如果科学院自己能够在第三代半导体方面能够再投入一些经费,或者是投入一些人力物力,在原有的基础上再重视一下,比如说院里面的专项,还有是经费,能够再重视,让我们科学院的成果能够跟企业更好地结合,这样的话会更好一些。另外一方面,产业化结合的话,需要我们科学院科研人员走出去,需要跟企业同产业链的去结合。另外一方面我们还要跟产业链的下游去沟通,跟用我们这些研发器件的公司去沟通,需要跟用户去沟通。他们觉得在用我们研发出来的芯片中出现什么问题,我们需要他的反馈,这样的话能够更加促进我们成果进行转化,这个是比较关键的。比如说像比亚迪,比如说吉利,比如说格力空调,去跟他们衔接。

郑红军:我们在半导体材料发展过程中,更重要的是要总结国际上发展比较好的企业,他们的成功和存在的问题,如何把我们碳化硅形成一个产业链,如何去做这件事情。咱们半导体所器件和外延都不错,但是半导体所材料这一块弱一点,只有一个材料组做化合物的。碳化硅衬底材料,咱们科学院物理所在做,怎么能够把力量组合起来加快发展。还有下游企业发展过程当中,它是一个整体,一个平台往上走,你不能产业链这块起来那块落下去了,这样发展是不平衡的,应该把它接住,把应用端也连起来。这个产业链一旦串起来,在共享平台上发展,那就快了。器件这一块,国内发展最快的应该是二级管这一块,是在往产业化走,但是其他做的还都不太好。希望老科协能给我们多提一些建议,多想一想。

马营:咱们既然提出来碳化硅这个产业方向了,它有没有一种最基础的最低层的,或者能跟别人在底层上有竞争力,比如说过去淘汰的工艺或者什么的,它能做大,它能把这个东西扔在市场上,你不买不要紧,扔在柜台上,这个就跟应用直接联系了。中国人的应用,我觉得你不用去引导他,你给他就行了。比如说碳化硅就用哪怕晶圆很小的,我就代替你一种器件,但是我能跟你实现竞争。

王玉富:我的理解是,碳化硅的应用不是为了取代某个现在已经用的很好的器件,而是要解决的是现在做的不好,或者做不了的。最后量产产业化遇到的问题就是可靠性,而我们搞科研的追求的是高性能,突破性能某个指标,可靠性和稳定性是非常难的事情,科学院过去不是太重视。刚才讲到一个问题,就是IGBT可靠性的问题,缺陷不仅很高,而且在使用过程中缺陷还会扩大,这是不是有技术性的问题在里面?就是我们在怎么样的工艺条件下才能把这些技术问题解决了,这些问题有没有部署研究和安排,你们是怎么考虑的?

张峰:对于比如说IGBT是属于双极型器件,有一部分缺陷没有避免掉,我们大概每平方厘米大概会有一个到两个基平面位错,我们在长外延的时候会有意的把它避免掉,或者把它转移成缺陷较小的无关痛痒的缺陷,对器件性能影响不大的缺陷。如果避免不掉基平面位错,我们器件在使用的过程中,这个缺陷会沿着外延会扩展开来。在IGBT器件里面,我们在一万伏和两万伏的器件,在如此高的电压情况下,它这种缺陷是会延伸的。如果要解决这个问题,需要从根本上,从材料上面解决这个问题。我们衬底和外延一定要长的很完美,因为现在硅很完美,硅完美到什么程度,我在一个晶圆上做一个器件都可以很可靠地把它完成。像一些大功率的器件,硅的完美程度是整个面上缺陷仅有个位数,甚至更低。我们碳化硅还需要向硅方面去努力,现在一个平方厘米上有几千个缺陷,我们需要再进一步的把这个缺陷进行闭合。我们希望碳化硅能够也在未来的五到十年,也能够达到个位数缺陷,这是我们的追求。这样的话我们在做IGBT器件过程中,可靠性问题就会有很大程度上的解决。归根到底就是材料的问题。现在碳化硅的晶锭生长是用物理气象传输的方法去生长,在生长过程中,它的温度的均匀性,以及在生长过程中应力的释放,它里边种种问题还没有根本上完全解决,只能是说在一定程度上解决。需要我们在生长方法上,在生长工艺上进一步的去研究,使得我们整个材料能够从根本的质量上有质的飞跃,这是下一步需要解决的问题,也是我们努力的方向。

郑红军:位错有好几种,晶片的位错统计有每平方厘米多少个,在这个基础上你做外延,这个对你后端的产率有多大的影响?比如说你做一千个管芯,允许淘汰的部分有一百个,而这个淘汰的大部分是以这种缺陷为主。

张峰:对于一万伏以下的器件,比如说像1200伏、600伏、3300伏,大部分位错对它的影响不大。我们每平方厘米可能会有一个到两个对器件影响比较大的缺陷,我们会通过外延的方法把这种缺陷闭合掉,或者给它转移转化成一种对器件影响不大的缺陷。而且在600伏、1200伏、3300伏这个电压等级上,它不会造成器件缺陷的扩展。外延层比较薄,电压也不高,对缺陷的扩展没有那么剧烈,不像一万伏两万伏的这种器件那么厉害。我们对于高产能的情况下,对缺陷要求更高,一万伏的器件对缺陷要求最高的。我们希望这个缺陷能降到零。

王炳燊:现在哪种衬底长出来的碳化硅最好?能用蓝宝石吗?

张峰:目前大部分用的都是碳化硅上长碳化硅,因为晶格就没有失配,这是第一方面。第二,碳化硅本身导热比较好,所以说碳化硅衬底本身导热是最好的,它的导热率可以达到4.9,跟铜是一样的。蓝宝石本身是一个高绝热的东西,而且它绝热性比较强,所以它导热不行,蓝宝石是导热最低的,所以肯定不会用蓝宝石去做高压高热大电流的衬底。硅上长碳化硅,它的失配比较大,它生长出来的材料外延的质量不够好,包括晶格失配,也包括热失配,硅本身的热导率没有碳化硅高,碳化硅是硅的热导率三倍左右。所以我们轻易不会考虑用硅去做衬底。因为会造成可靠性下降,稳定性下降,还会导致生长的外延缺陷更多。我们首选的是在碳化硅上长碳化硅,这种长出来的质量最高,热导率最好,缺陷最低。碳化硅上长碳化硅成本是最高的,这是毫无疑问的,但是随着晶原尺寸的变大,每年的价格会降低20%,所以我们相信成本在未来的趋势是在下降的。

桂文庄:今天讨论了一个非常重要的问题,电力电子器件的问题一直是科学院非常关注的一件事。我已经退休十几年了,那个时候就把电力电子器件问题作为一个问题讨论。十几年以后,我们工作做的还是很不错的,起码物理学的硅材料长的很好了,你们现在外延材料做的不错,而且器件工艺什么东西也都有转移,整个这些工作是在往前走的。我们现在和国际上还是有三到五年的差距,看这个材料上面表现的这个结果,现在我们差距不是从研究水平的差距,而是从批量产业化的差距,还是蛮大的,不知道三到五年能不能赶上。因为这里头涉及到的问题太多了,而且我们这个产业没有基础,也缺少像美国这样有实力、历史悠久,而且自己研发能力也很强的公司。

最近大家都关注中兴事件,中兴事件出来以后暴露出来一个问题,人家一旦不供应我们芯片,我们整个产业就要关门了,到了这么危险的程度。所以现在大家都非常关注我们国家怎么样能够走出一条自主发展的道路。虽然说从全世界来说,世界是一个大市场,我们不可能包揽所有的东西,我们也不应该去把所有的东西都封闭起来自己做,外面有能用的,我们当然要用,因为现在国际上哪一个大公司的生产都不是只采购他们自己的,也不是只采购他们国内的,当然要走这条路。但是反过来,那些非常关键的,攸关国家的安全和产业发展的技术,我们自己必须掌握。我们国家是个大国,我们的国际环境又是这样的环境,美国虽然表面上跟我们说友好,实际上千方百计在限制我们发展。美国商务部长说就是要让你们感受到痛,所以才制裁你。瞄准我们对付我们的就是中国制造2025的战略目标,不要你发展。这种环境下,我们如果自己不掌握自己非常关键的技术,我们怎么能够实现国家两个一百年的目标呢?所以我觉得今天这个会非常重要,电力电子器件也是我们国家下一步要发展的非常关键的问题,所以这个会开的非常好。我感觉咱们半导体所老科协是抓住了今后发展的关键问题在讨论,非常好,希望能够通过这个会议能够形成一点意见,能够对国家,对我们科学院进一步的部署有一定建议和意见提出来。这是一个想说的。

第二个,我们现在的科研的问题是什么,我们搞器件,搞材料的,以前关注的是它的性能指标,只要突破了它的性能指标,我可以发很高档的文章。但是要做出一个性能好的,可以从一千件里头挑出一件,但是从你做一件到十件,从十件做到一千件一万件的时候,这个过程是很困难的,不是我们搞科研的发发文章就能出来的。刚才提到可靠性稳定性的问题,仍然是我们科学院搞器件搞材料的要非常关注的问题。其实这里头有很多基础性的问题在里面,可能很多时间发不了文章,一旦解决了里头技术性的问题,或者有新的突破,比方说现在我们是这个办法,我有没有创新的思想完全解决这个问题呢?所以这里头有很多深入的问题在里头。其实工艺条件是牵扯到非常多的基础物理问题和化学问题在里面。我想我们恐怕在这方面要关注一下。

刚才大家都在说,为什么我们50年代60年代我们半导体所成立的时候,那时候没有这些问题。那时候大家关注的是怎么解决国家的问题,国家的事情摆在那儿需要我们去解决,叫你们科学院干,你们不干,行吗?你可以不发一篇文章,你得把问题给我解决了。现在我们不发文章不行,还要发高端的。当然我觉得那也是需要的,咱们科学院发展到这一步,你那些基础理论创新的东西当然要做,不做我们哪有后劲儿。但是我们这些事情也得做,因为是国家需要的。

我很高兴张峰博士和企业结合得非常好。十几年二十多年前我们想结合还很困难,一个是企业不肯投资,那时候企业恨不得你给我做出一个非常完善的产品出来,我照猫画虎就可以生产一大批,就可以赚钱。现在不是这样了,现在的企业肯投资了。像我们物理所的碳化硅材料产业化要是没企业投资能做到现在吗?靠科学院那点科研经费是做不到的。所以一定要找到企业的投资,把这种大的环境逐步的形成。我觉得我们国家已经发展到这样的程度,企业有足够多的钱,只要我们有好东西,能说服企业家去投,这事情发展就很快。马云怎么会对搞量子通讯和量子芯片感兴趣?当然这里头有很多其他的原因,咱们不去评论那些事情。但是我讲有一条,现在企业家是有钱的,中国是有钱的。在这个环境下要尽量的更好的和企业密切结合起来。尤其是往后走,往产业化走,要解决工艺技术问题,如果不和企业结合起来走,一定是死路一条,在科学院这个范围是走不下去的。张博士创造了非常好的路子,很好。咱们半导体所作为科学院的研究所,一定要把最前沿的科学理论上,世界上还没有的理论拿出来,我们可以做原创性的东西出来;但是另一方面,国家急需要解决的问题你解决不了,你光在那儿说前沿的也不行。我也不赞成像张峰这样的,对应用这么关切,这么重大的事情正在努力去做的,叫他去做那些非常非常基础的东西,那不行。还是要有人做基础的,有人做应用的,这样才是一个和谐的社会。所以今天我开完这个会我有这么两点体会,我觉得我们半导体所,张峰博士年轻一代起来,一定能给国家做出大贡献。希望把今天会议讨论的内容整理出来,最后如果能讨论点具体的意见就很好了。

夏建白:刚才说了要形成一个意见,开完会要形成意见,我过两天就要开一个会议,就是讨论第三代半导体。碳化硅是一个很重要的一部分,包括氮化镓,还有氯化氢,到时候请两位去参加一下会议。这是我想说的一点,咱们要尽快形成一个意见,对国家提出一个发展的方向。

第二条,现在的碳化硅的状态跟当年氮化镓LED差不多,当年差不多全民都在搞那个,经过十年以后,氮化镓LED真是发展的很快,尖端的还没有,但是现在已经很普及了,LED价钱也下来了。现在我想碳化硅也是这样,市场的前景还是很大的,不光是电网,还有电动汽车,充电桩。刚才说了,咱们国家电动汽车的产量已经占了三分之二,而且咱们国家的市场还是很大的。现在碳化硅的状况就像十年以前氮化镓LED,当然难度要比LED大多了,当年所有企业随便一下子都能做。现在电网公司已经做实践了,张风这支队伍也要做大,希望以后能有越来越多的企业参与进来。

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