在國家重點研發(fā)計劃“戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料”重點專項支持下，國網(wǎng)智研院功率半導(dǎo)體研究所聯(lián)合中科院半導(dǎo)體所、天科合達(dá)、中國電科五十五所、株洲中車、浙江大學(xué)、國網(wǎng)智研院電力電子研究所、國網(wǎng)河北省電力公司、華北電力大學(xué)、電子科大、西安電子科大、山東大學(xué)、華中科大、中科院微電子所、中國電科十三所、許繼電氣、國網(wǎng)福建省電力公司、中電普瑞共18家科研院所、高校及產(chǎn)業(yè)單位經(jīng)歷了6年的自主攻關(guān)實現(xiàn)了6.5kV級碳化硅材料-芯片-器件-測試-驅(qū)動-裝置應(yīng)用全鏈條技術(shù)突破,研制了同電壓等級國際上電流最大的6.5kV/400A碳化硅MOSFET模塊應(yīng)用于35kV/5MW全碳化硅電力電子變壓器,并在雄安智慧驛站柔性變電站成功投運。
項目背景
新材料新未來
碳化硅（SiC）作為寬禁帶半導(dǎo)體材料的典型代表，擊穿電場高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強(qiáng)，與相同結(jié)構(gòu)的硅器件相比，碳化硅器件可以達(dá)到10倍的耐壓，4倍的電流，10倍的工作頻率，耐高溫工作，采用高壓碳化硅器件研制的電力電子裝置可以采用新型拓?fù)洌蠓忍嵘β拭芏?，減小損耗，支撐新一代電力系統(tǒng)先進(jìn)電力電子裝備研制。
▲碳化硅材料性能優(yōu)異
▲碳化硅器件具有高壓、大電流、高頻、耐高溫等優(yōu)良特性
▲采用碳化硅器件的裝置可大幅提升功率密度，降低損耗
全鏈條技術(shù)突破
面向新一代電力系統(tǒng)核心裝備技術(shù)需求，聚焦碳化硅材料、器件國產(chǎn)化，項目組針對電力電子變壓器技術(shù)需求進(jìn)行任務(wù)分解，制定了各環(huán)節(jié)、各層級研發(fā)的詳盡技術(shù)規(guī)則、規(guī)范，經(jīng)過多輪次反饋迭代，打通了高壓大功率碳化硅MOSFET技術(shù)路線，實現(xiàn)了材料-芯片-器件-測試-應(yīng)用驗證全技術(shù)鏈協(xié)同創(chuàng)新，推動了國產(chǎn)高壓大功率碳化硅材料、器件產(chǎn)業(yè)化，為電力電子裝置原始創(chuàng)新和國際技術(shù)引領(lǐng)提供了堅強(qiáng)支撐。
標(biāo)志性成果
功率半導(dǎo)體研究所聯(lián)合國內(nèi)各領(lǐng)域頂尖技術(shù)力量開啟了低缺陷密度材料、高壓大電流芯片、高壓大容量器件封裝、高壓快速開關(guān)測試、碳化硅新體系驅(qū)動及變壓器全鏈條的原始技術(shù)創(chuàng)新之路
大尺寸低缺陷材料
高壓碳化硅芯片的性能、良率及成本受材料質(zhì)量影響極大，立項之初，國內(nèi)無大尺寸單晶、無低缺陷厚外延材料，嚴(yán)重制約高壓大電流碳化硅芯片的自主研發(fā)。技術(shù)團(tuán)隊針對高壓碳化硅器件對外延材料、外延對襯底材料的定制化需求，開展溫場控制、應(yīng)力控制及釋放、厚外延生長、低缺陷控制等技術(shù)研究，攻克了高壓碳化硅器件對6英寸單晶襯底擴(kuò)徑生長、缺陷密度控制和大尺寸外延缺陷控制、快速外延生長等技術(shù)難題，研制了高質(zhì)量國產(chǎn)單晶襯底，實現(xiàn)了低缺陷密度厚外延材料制備。
大尺寸高質(zhì)量SiC單晶材料
低缺陷密度60μm SiC厚外延材料
高壓大電流芯片
高壓模塊多芯片并聯(lián)封裝成對于芯片提出了更高的要求，電壓高、電流大、一致性好。項目團(tuán)隊基于自主研制的低缺陷厚外延材料，提出了低表面電場強(qiáng)度的高壓芯片終端結(jié)構(gòu)，攻克了高質(zhì)量柵氧、短溝道自對準(zhǔn)技術(shù)等關(guān)鍵工藝，解決了設(shè)計和工藝兼容性差、導(dǎo)通電阻大、碎片率高等一系列難題，在國內(nèi)首次掌握了6英寸碳化硅芯片全流程工藝，國內(nèi)首次批量研制高耐壓、高通流能力的6.5 kV/25 A SiC MOSFET芯片，通過高溫柵偏、高溫反偏等系列可靠性測試。芯片技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際產(chǎn)品相同水平，部分關(guān)鍵指標(biāo)優(yōu)于國際同型器件。
6.5kV/25A SiC MOSFET晶圓
6.5kV/25A SiC MOSFET 阻斷特性
6.5kV/25A SiC MOSFET 輸出特性
