功率半導體器件的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
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- 安徽新天源建設咨詢有限公司
- 最后修訂：
- 2020-07-03 15:30:12
摘要：
目錄
【簡介】
電力電子是現(xiàn)代科學、工業(yè)、國防和日常生活的重要支撐技術，而功率器件是其核心和基礎。第三代寬禁帶半導體特別是碳化硅（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電力電子及相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，特別是電網(wǎng)改造建設、綠色能源、電動汽車等。世界各發(fā)達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)展碳化硅半導體器件，并已經(jīng)進入商品化的初級階段。沙龍?zhí)接懥宋覈谶@一領域的科研生產(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)改造和建設做了重點討論。
【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告。
【主旨報告】
張峰：第三代半導體SiC 外延、器件與應用研究
1. 第三代半導體碳化硅器件的應用
碳化硅（SiC）是一種優(yōu)異性能的寬禁帶半導體，不但具有禁帶寬、熱導率高、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穩(wěn)定性、極強的抗輻照能力和機械強度等，可用于研制高溫大功率電力電子器件和嚴酷環(huán)境下的抗輻照傳感器。
圖1 碳化硅功率器件的應用及其優(yōu)異性能
以碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶半導體大功率器件是目前在電力電子領域發(fā)展最快的新型半導體功率器件。碳化硅器件在高壓直流輸電，以及綠色能源，機車牽引高鐵，新能源汽車方面有很好的應用潛力。應用于高壓直流輸電領域，具有高效節(jié)能的特點。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。在機車牽引領域，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用于電動汽車以及混動汽車，因為用它做出來的PCU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量還不夠成熟，現(xiàn)在最成熟的是4英寸和6英寸的?，F(xiàn)在量產(chǎn)的情況是4英寸晶片在往6英寸轉，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，把硅的設備改成碳化硅的設備，再添加一些碳化硅專用設備，就可以進行6英寸碳化硅的流片。
實際上，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行光刻、擴散、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，因為碳化硅本身的本征載流子濃度非常低，如果想讓它把這個PIN導通的話，需要三伏以上的電壓才能導通。硅就不用那么高，只需要0.7伏到0.9伏電壓就可以把PIN器件導通。為了器件性能優(yōu)化，我們把PIN和肖特基二極管結合起來，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器件可以達到一萬伏以上的電壓。
3. 第三代半導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來做碳化硅的生產(chǎn)，包括國家電網(wǎng)和中車也加入進來。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到一萬伏。另外一方面就是它正向的導通電流可以達到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一步發(fā)展。
經(jīng)歷幾十年的漫長發(fā)展，寬禁帶半導體SiC終于迎來了春天，進入飛速發(fā)展時期，在不久的將來有望在電力電子領域實現(xiàn)廣泛應用。隨著6英寸SiC單晶襯底和外延晶片的缺陷降低和質量提高，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行，這將進一步降低SiC材料和器件成本，推進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用。在1000V以上的中高壓領域，SiC材料和器件將會逐步展現(xiàn)其優(yōu)越特性，彌補Si材料在該領域的不足。展望未來，SiC材料與電力電子器件的發(fā)展和應用將成為電力電子發(fā)展的一個重要里程碑！
【邀請報告】
鈕應喜：碳化硅電力電子器件在電力系統(tǒng)中的應用和需求
1. 碳化硅在電力系統(tǒng)中的應用分析
我國已經(jīng)建成世界上規(guī)模最大、最復雜的電網(wǎng)，同時可再生能源的裝機量也是世界最大，由于長距離、大容量輸電等特點使得柔性直流、靈活交流輸電等先進的輸電技術得到廣發(fā)的應用。隨著可再生能源的進一步開發(fā)，加劇了電網(wǎng)的復雜性和控制難度，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)
在未來柔性半導體電網(wǎng)中，電力電子裝備無處不在，發(fā)電側的光伏逆變器，輸電側的靈活交流、柔性直流，變電側的變電站，配電側的定制電力，對電力電子器件的應用也就無處不在，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甚至達到1100kV，最基本的電力電子器件，Si器件，已經(jīng)達到了由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8倍，熱導率是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器件的研究進展
雖然在低壓領域SiC已經(jīng)進入產(chǎn)業(yè)。但是在高壓領域，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)進度要領先一些，日本京都大學在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)在引進先進的厚膜外延設備后，厚膜外延材料制備技術得到進步，最近也在高壓器件方面做了一些成績，比如中電55所在2016年報道了17kV 的PiN二極管，在2018年報道了12kV 的IGBT，說明國內(nèi)材料在一步步進度，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展
4. 總結及展望
未來電網(wǎng)對效率、可靠性、穩(wěn)定運行要求更高，需進一步提升大電網(wǎng)運營控制能力。遠距離柔直輸電要求電力電子器件具有更高電壓、更大容量、更高結溫；新能源并網(wǎng)要求器件具有更高的轉換效率；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：張峰的報告，側重在碳化硅外延這部分，在外延可能會產(chǎn)生缺陷，我關心這些缺陷的類型和襯底缺陷之間的相互關系，是襯底缺陷的延伸，還是在外延過程當中所產(chǎn)生的缺陷？因為這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化成一些非基平面位錯的缺陷，把它轉成刃位錯的缺陷，這樣對器件影響就比較小了。但是如果轉化的不好的話，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量比襯底的質量更高，使得我們整個晶圓更適合做碳化硅器件。襯底的缺陷如果轉化不了的話，整個外延就會很難得到應用。我們希望把襯底微管那些危害比較大的缺陷轉化為危害比較小的缺陷，這樣更適合做器件應用。
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。未來如果我們再擴產(chǎn)的話，需要外延公司給我們配合，需要他們那邊擴產(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這種結構。一萬伏的器件實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)在目前實驗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指標能夠達到要求，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?，F(xiàn)在實際上我們指標可以做到，但是它可靠性穩(wěn)定性這方面需要加強，因為它表面的缺陷還是比較多，在長時間工作之后，它一些缺陷會擴展，內(nèi)部的缺陷擴展之后，會導致整個器件壽命下降比較厲害。實驗室到產(chǎn)業(yè)化之間還有很遠的距離，我相信再過5到10年會有新的結果出來，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，把第三代半導體和電網(wǎng)結合起來，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，估計要有一個新的設想，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，通過材料生長力學的原理來抑制缺陷的生長，從而改進外延層的質量。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節(jié)它的帶隙，來形成超晶格的結構，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。所以氮化鎵可以實現(xiàn)超晶核結構。碳化硅為什么不能夠形成超晶格結構呢？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，這兩種碳化硅結合在一起的話，中間的失配很大，就會導致在一種材料上生長另外一種材料，它的質量非常不好。這樣的話就很難形成二維電子氣，也很難形成很高質量的超晶格結構。因為超晶格結構首要條件就是晶格失配要很小，而且要形成很高質量的單晶薄膜。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構。
還有就是它的缺陷通過壓應力和張應力來降低?，F(xiàn)在碳化硅本身應力是比較大的，我們不希望它內(nèi)部的應力太大。在長單晶的時候，如果你的應力很大的話，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力。其實我們不希望它的張應力或壓應力太強，希望它把應力完全釋放掉，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。鄭老師再補充兩句。
鄭紅軍：剛才張峰老師的報告，在前面一部分我感受比較深。第一個，對三代半導體材料有一個說明，就把硅、砷化鎵、碳化硅這三代材料不同的特性表達的很清楚。這三代材料，從熔點來看，硅材料是1420度，砷化鎵是1238度，碳化硅是2200多度。從熔點上差異比較大。另外一點，從硬度上，剛才說的叫刀槍不入，實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，完全進入了一個產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)?？墒俏覀儑鴥?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寸標準化生產(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)完全做了一個標準化的產(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；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系呢？我們?nèi)牧?，碳化硅做到現(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)的碳化硅及相關材料的國際會議。這是軍品上的需要，你像美國重點發(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，報告人和大家討論了碳化硅，碳化硅和氮化鎵是什么關系，是互補還是競爭，誰更有前景？
桂文莊：手術機器人肯定需要視覺技術。
張峰：現(xiàn)在氮化鎵的應用領域比較廣泛，早期做LED，又可以做射頻器件，最高可以達到百G赫茲。目前業(yè)內(nèi)在電力電子領域也想用氮化鎵，尤其是在硅上面長氮化鎵這個材料來做電力電子器件。在這個領域主要是用在600伏以下電壓等級的范圍。碳化硅關注的是600伏及以上的領域。實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這個領域。600伏是競爭最激烈的一個領域。碳化硅的特點是散熱比較好，材料的質量在第三代半導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備我們是缺的，但是碳化硅的器件加工和其他半導體加工是很不一樣的，跟一般的摻雜的設備是共用不了的，沒有這個設備連摻雜都摻雜不了。我們這種器件是怎么加工的呢？
鈕應喜：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？
鈕應喜：會。后面必須高溫退火進行處理，這個也是區(qū)別于硅基器件的設備。
張峰：高能離子注入，打進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)，進一步修復晶格損傷，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去的離子在1600度到1800度進行激活，產(chǎn)業(yè)界都是這樣做的，制造成本確實高一些，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)和我們整個科學界的結合。實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，我們和國外的科學研究的差距，產(chǎn)業(yè)的差距，大概三到五年的時間，其實需要我們科學院，或者我們在做科學研究的過程，要跟產(chǎn)業(yè)結合起來，要了解產(chǎn)業(yè)界對器件性能指標的要求，對可靠性和穩(wěn)定性的要求?？煽啃院头€(wěn)定性的要求實際上也是一個重大課題，我們做科學研究的科研工作者對可靠性和穩(wěn)定性的研究偏少一點，沒有像我們做性能指標那么關注，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，第三代半導體應用上面，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)展和建設來講，交流直流轉換是最最重要最最核心的方向。我們國家的第三代半導體與世界的先進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體趕超世界先進水平呢？為什么說這句話，就是因為這里有一個核心問題，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。
何遠光：我問一個管理上的問題，目前我們科研上你認為順還是不順？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)合實驗室，企業(yè)會給我們一些運轉經(jīng)費。另外我們也從國家申請項目，包括科技部，包括自然基金委。如果科學院自己能夠在第三代半導體方面能夠再投入一些經(jīng)費，或者是投入一些人力物力，在原有的基礎上再重視一下，比如說院里面的專項，還有是經(jīng)費，能夠再重視，讓我們科學院的成果能夠跟企業(yè)更好地結合，這樣的話會更好一些。另外一方面，產(chǎn)業(yè)化結合的話，需要我們科學院科研人員走出去，需要跟企業(yè)同產(chǎn)業(yè)鏈的去結合。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我們成果進行轉化，這個是比較關鍵的。比如說像比亞迪，比如說吉利，比如說格力空調，去跟他們銜接。
鄭紅軍：我們在半導體材料發(fā)展過程中，更重要的是要總結國際上發(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。咱們半導體所器件和外延都不錯，但是半導體所材料這一塊弱一點，只有一個材料組做化合物的。碳化硅襯底材料，咱們科學院物理所在做，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，應該把它接住，把應用端也連起來。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，這個就跟應用直接聯(lián)系了。中國人的應用，我覺得你不用去引導他，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，但是我能跟你實現(xiàn)競爭。
王玉富：我的理解是，碳化硅的應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，可靠性和穩(wěn)定性是非常難的事情，科學院過去不是太重視。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大，這是不是有技術性的問題在里面？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，或者把它轉移成缺陷較小的無關痛癢的缺陷，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，因為現(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，我們需要再進一步的把這個缺陷進行閉合。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，在生長工藝上進一步的去研究，使得我們整個材料能夠從根本的質量上有質的飛躍，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)計有每平方厘米多少個，在這個基礎上你做外延，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，或者給它轉移轉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展。外延層比較薄，電壓也不高，對缺陷的擴展沒有那么劇烈，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？能用藍寶石嗎？
張峰：目前大部分用的都是碳化硅上長碳化硅，因為晶格就沒有失配，這是第一方面。第二，碳化硅本身導熱比較好，所以說碳化硅襯底本身導熱是最好的，它的導熱率可以達到4.9，跟銅是一樣的。藍寶石本身是一個高絕熱的東西，而且它絕熱性比較強，所以它導熱不行，藍寶石是導熱最低的，所以肯定不會用藍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量不夠好，包括晶格失配，也包括熱失配，硅本身的熱導率沒有碳化硅高，碳化硅是硅的熱導率三倍左右。所以我們輕易不會考慮用硅去做襯底。因為會造成可靠性下降，穩(wěn)定性下降，還會導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，這種長出來的質量最高，熱導率最好，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院非常關注的一件事。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。因為這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，也缺少像美國這樣有實力、歷史悠久，而且自己研發(fā)能力也很強的公司。
最近大家都關注中興事件，中興事件出來以后暴露出來一個問題，人家一旦不供應我們芯片，我們整個產(chǎn)業(yè)就要關門了，到了這么危險的程度。所以現(xiàn)在大家都非常關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，我們當然要用，因為現(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，當然要走這條路。但是反過來，那些非常關鍵的，攸關國家的安全和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術，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，實際上千方百計在限制我們發(fā)展。美國商務部長說就是要讓你們感受到痛，所以才制裁你。瞄準我們對付我們的就是中國制造2025的戰(zhàn)略目標，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鍵的技術，我們怎么能夠實現(xiàn)國家兩個一百年的目標呢？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)展的非常關鍵的問題，所以這個會開的非常好。我感覺咱們半導體所老科協(xié)是抓住了今后發(fā)展的關鍵問題在討論，非常好，希望能夠通過這個會議能夠形成一點意見，能夠對國家，對我們科學院進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，以前關注的是它的性能指標，只要突破了它的性能指標，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，仍然是我們科學院搞器件搞材料的要非常關注的問題。其實這里頭有很多基礎性的問題在里面，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。其實工藝條件是牽扯到非常多的基礎物理問題和化學問題在里面。我想我們恐怕在這方面要關注一下。
剛才大家都在說，為什么我們50年代60年代我們半導體所成立的時候，那時候沒有這些問題。那時候大家關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。現(xiàn)在我們不發(fā)文章不行，還要發(fā)高端的。當然我覺得那也是需要的，咱們科學院發(fā)展到這一步，你那些基礎理論創(chuàng)新的東西當然要做，不做我們哪有后勁兒。但是我們這些事情也得做，因為是國家需要的。
我很高興張峰博士和企業(yè)結合得非常好。十幾年二十多年前我們想結合還很困難，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?，F(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？靠科學院那點科研經(jīng)費是做不到的。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)密切結合起來。尤其是往后走，往產(chǎn)業(yè)化走，要解決工藝技術問題，如果不和企業(yè)結合起來走，一定是死路一條，在科學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。咱們半導體所作為科學院的研究所，一定要把最前沿的科學理論上，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，對應用這么關切，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的東西，那不行。還是要有人做基礎的，有人做應用的，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體會，我覺得我們半導體所，張峰博士年輕一代起來，一定能給國家做出大貢獻。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，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)跟當年氮化鎵LED差不多，當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價錢也下來了?，F(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，當然難度要比LED大多了，當年所有企業(yè)隨便一下子都能做。現(xiàn)在電網(wǎng)公司已經(jīng)做實踐了，張風這支隊伍也要做大，希望以后能有越來越多的企業(yè)參與進來。
