在國家重點研發計劃“戰略性先進電子材料”重點專項支持下，國網智研院功率半導體研究所聯合中科院半導體所、天科合達、中國電科五十五所、株洲中車、浙江大學、國網智研院電力電子研究所、國網河北省電力公司、華北電力大學、電子科大、西安電子科大、山東大學、華中科大、中科院微電子所、中國電科十三所、許繼電氣、國網福建省電力公司、中電普瑞共18家科研院所、高校及產業單位經歷了6年的自主攻關實現了6.5kV級碳化硅材料-芯片-器件-測試-驅動-裝置應用全鏈條技術突破,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）作為寬禁帶半導體材料的典型代表，擊穿電場高、熱導率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強，與相同結構的硅器件相比，碳化硅器件可以達到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撲，大幅度提升功率密度，減小損耗，支撐新一代電力系統先進電力電子裝備研制。
▲碳化硅材料性能優異
▲碳化硅器件具有高壓、大電流、高頻、耐高溫等優良特性
▲采用碳化硅器件的裝置可大幅提升功率密度，降低損耗
全鏈條技術突破
面向新一代電力系統核心裝備技術需求，聚焦碳化硅材料、器件國產化，項目組針對電力電子變壓器技術需求進行任務分解，制定了各環節、各層級研發的詳盡技術規則、規范，經過多輪次反饋迭代，打通了高壓大功率碳化硅MOSFET技術路線，實現了材料-芯片-器件-測試-應用驗證全技術鏈協同創新，推動了國產高壓大功率碳化硅材料、器件產業化，為電力電子裝置原始創新和國際技術引領提供了堅強支撐。
標志性成果
功率半導體研究所聯合國內各領域頂尖技術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、高壓快速開關測試、碳化硅新體系驅動及變壓器全鏈條的原始技術創新之路
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量影響極大，立項之初，國內無大尺寸單晶、無低缺陷厚外延材料，嚴重制約高壓大電流碳化硅芯片的自主研發。技術團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、應力控制及釋放、厚外延生長、低缺陷控制等技術研究，攻克了高壓碳化硅器件對6英寸單晶襯底擴徑生長、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難題，研制了高質量國產單晶襯底，實現了低缺陷密度厚外延材料制備。
大尺寸高質量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度的高壓芯片終端結構，攻克了高質量柵氧、短溝道自對準技術等關鍵工藝，解決了設計和工藝兼容性差、導通電阻大、碎片率高等一系列難題，在國內首次掌握了6英寸碳化硅芯片全流程工藝，國內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。芯片技術指標達到國際產品相同水平，部分關鍵指標優于國際同型器件。
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
