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作者：國務院發展研究中心 吳康迪 時間：2009-10-10 隨綠色經濟的興起，節能降耗已成潮流。在現代化生活中，人們已離不開電能。為解決“地球變暖”問題，電能消耗約占人類總耗能的七成，提高電力利用效率被提至重要地位。 據統計，60%至70%的電能是在低能耗系統中使用的，而其中絕大多數是消耗于電力變換和電力驅動。在提高電力利用效率中起關鍵作用的是功率器件，也稱電力電子器件。如何降低功率器件的能耗已成為全球性的重要課題。 在這種情況下，性能遠優于普遍使用的硅器件的碳化硅(SiC)器件受到人們青睞。SiC器件耐高溫(工作溫度和環境溫度)、抗輻射、具有較高的擊穿電壓和工作頻率，適于在惡劣條件下工作。特別是與傳統的硅器件相比，目前已實用的SiC器件可將功耗降低一半。由此將減少設備的發熱量，從而可大幅度降低電力變換器的體積和重量。其缺點是制備工藝難度大，器件成品率低，因而價格較高，影響了其普通應用。 隨著技術進步，近年來SiC襯底的直徑做的越來越大，器件質量越來越高，生產SiC 產品的廠商越來越多，從而使制約SiC發展的SiC襯底供應情況大為改觀。特別是由于SiC二極管廠商的增加和SiC產量的增長，使SiC器件的價格不斷下降。與此同時，SiC二極管的容量不斷增大和SiC晶體管的實際應用，帶動了SiC器件性能的不斷改善。SiC器件己從高價時代的航天、航空、雷達、核能開發等領域，擴展至石油和地熱鉆井勘探、變頻空調、平板電視、混合動力汽車和電動汽車以及太陽能光電變換等民用領域。汽車制造廠、空調公司和陽光發電部門以及眾多電源廠商，對SiC器件的應用寄與厚望，人們已將其稱做節電降耗的關健器件。 SiC器件開發現況 2009年SiC MOSFET晶體管已經可以量產，輸出為100A的SiC二極管大批量問世。 目前，SiC器件已被用于混合動力汽車和電動汽車設備中。2008年9月日本豐田公司開發出了SiC二極管逆變器，應用于X-TRAIL FCV型汽車進行道路行駛實驗。同月，本田汽車公司已用SiC器件制出了電源模塊。2009年日本開發的SiC變頻空調在市場上銷售。日本大阪的關西電力公司，開發出SiC逆變器，用于陽光發電。歐洲意法半導體公司用于電源的SiC二極管目前已大批量市售。德國英飛凌公司批量生產體積小的SiC二極管和SiC型MOS場效應晶體管，2009年3月推出了第三代薄型 SiC肖特基二極管。據日本三菱公司的試驗表明，電力變換器中使用的硅基耐壓600V快速恢復二極管和IGBT。如果用SiC SBD(肖特基勢壘二極管)和MOSFET管代替，功耗可降50%，甚至70%。SiC的工作環境可穩定地提高至300℃，而硅不超過200℃。因此可減少散熱器或不用散熱器。此外，SiC器件可在高頻下工作，在100KHz下使用的SiC器件已問世。 2008年日本羅姆公司開發出了300A，耐壓660V的10毫米見方的SiC二極管樣品。傳統產品因成品率低，只有幾毫米見方的。一般情況下要擴大電流量就要增大芯片面積，然而芯片面積大則由于襯底質量的限制，成品率會降低。 2009年2月美國Cree公司與Powerex公司開發出了雙開關1200伏、100安培的SiC功率模塊。其由耐高壓和大電流的SiC的MOS場效應晶體管和SiC肖特基二極管組成。 日產汽車開發出了5毫米見方的SiC和硅的異構結二極管，電流容量可超過100A。在羅姆公司協作下，日產汽車還開發出1~2毫米見方的SiC二極管，電流容量也能達到100A。 美國Cree公司和日本羅姆公司在業界領先生產SiC的MOS場效應晶體管。SiC功率晶體管分3類：MOSFET、結型場效應及IGBT那樣的雙極型器件。前兩者為單極型器件。SiC晶體管的結構比SiC二極管復雜、因此成品率低、價格貴、影響其普及。然而對于耐壓1200伏的應用，SiC晶體管對于硅基晶體管的成本優勢己很明顯。 專家指出，對于耗電大戶的信息業的數據中心，目前采用SiC器件在一年內可收回投資。 目前影響SiC晶體管量產的兩個因素是其動態電阻稍大和氧化層的可靠性。前者是由于SiC晶體管溝道移動性低，后者則可影響到晶體管的可靠性。 SiC襯底市場 SiC器件的基礎材料是SiC襯底。決定SiC器件能否普及的是器件價格。影響價格的是器件成品率。而器件成品率受到襯底質量的制約。2009年世界最大的SiC襯底廠商美國Cree公司，已可批量生產高質量6英寸SiC襯底。2008年起，Cree公司已可量產無中空貫穿缺陷(微管)的SiC襯底。從2008年5月開始，其微管基本為零的4英寸襯底能批量供應。日本新日本制鐵2008年也生產出同樣基本無微管缺陷的4英寸襯底。 在SiC襯底市場方面，美國Cree公司壟斷了優質SiC襯底的供應。2007年起，該公司在市場上供應2至3英寸基本上無微管的襯底。2008年其位錯為每平方厘米5千個。2009年將提供6英寸基本上無微管的襯底。其次是德國SiCrystal公司和日本新日鐵公司。SiCrystal2008年可提供基本上無微管的3英寸SiC襯底，其位錯為每平方厘米2千個;新日鐵目前擁有每平方厘米1個微管的3英寸SiC襯底，其位錯為每平方厘米5千個至2萬個，2009年稍晚些可推出4英寸SiC襯底。第3梯隊產品質量一般，有日本東纖-道康寧合資公司和中國天科合達藍光半導體公司。天科合達藍光公司在出售2英寸SiC襯底基礎上，2008年第3季度又推出了3英寸SiC襯底，其每平方厘米微管數量在50個以下。據Yolu發展公司的統計和預測，2005年至2009年SiC器件市場的年增長率為27%，2010年至2015年的年增長率為60%至70%。 有關專家指出，我國天科合達藍光公司進入SiC襯底市場影響巨大。其將迅速降低國際市場上SiC襯底的售價，從而推動SiC器件的更快普及。我國有關部門應進行支持，促進SiC器件在國內的應用，而不要使其只為國外廠商，特別是日本廠商，做廉價原料的供應商。 |
