在国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项支持下，国网智研院功率半导体研究所联合中科院半导体所、天科合达、中国电科五十五所、株洲中车、浙江大学、国网智研院电力电子研究所、国网河北省电力公司、华北电力大学、电子科大、西安电子科大、山东大学、华中科大、中科院微电子所、中国电科十三所、许继电气、国网福建省电力公司、中电普瑞共18家科研院所、高校及产业单位经历了6年的自主攻关实现了6.5kV级碳化硅材料-芯片-器件-测试-驱动-装置应用全链条技术突破,研制了同电压等级国际上电流最大的6.5kV/400A碳化硅MOSFET模块应用于35kV/5MW全碳化硅电力电子变压器,并在雄安智慧驿站柔性变电站成功投运。
项目背景
新材料新未来
碳化硅（SiC）作为宽禁带半导体材料的典型代表，击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强，与相同结构的硅器件相比，碳化硅器件可以达到10倍的耐压，4倍的电流，10倍的工作频率，耐高温工作，采用高压碳化硅器件研制的电力电子装置可以采用新型拓扑，大幅度提升功率密度，减小损耗，支撑新一代电力系统先进电力电子装备研制。
▲碳化硅材料性能优异
▲碳化硅器件具有高压、大电流、高频、耐高温等优良特性
▲采用碳化硅器件的装置可大幅提升功率密度，降低损耗
全链条技术突破
面向新一代电力系统核心装备技术需求，聚焦碳化硅材料、器件国产化，项目组针对电力电子变压器技术需求进行任务分解，制定了各环节、各层级研发的详尽技术规则、规范，经过多轮次反馈迭代，打通了高压大功率碳化硅MOSFET技术路线，实现了材料-芯片-器件-测试-应用验证全技术链协同创新，推动了国产高压大功率碳化硅材料、器件产业化，为电力电子装置原始创新和国际技术引领提供了坚强支撑。
标志性成果
功率半导体研究所联合国内各领域顶尖技术力量开启了低缺陷密度材料、高压大电流芯片、高压大容量器件封装、高压快速开关测试、碳化硅新体系驱动及变压器全链条的原始技术创新之路
大尺寸低缺陷材料
高压碳化硅芯片的性能、良率及成本受材料质量影响极大，立项之初，国内无大尺寸单晶、无低缺陷厚外延材料，严重制约高压大电流碳化硅芯片的自主研发。技术团队针对高压碳化硅器件对外延材料、外延对衬底材料的定制化需求，开展温场控制、应力控制及释放、厚外延生长、低缺陷控制等技术研究，攻克了高压碳化硅器件对6英寸单晶衬底扩径生长、缺陷密度控制和大尺寸外延缺陷控制、快速外延生长等技术难题，研制了高质量国产单晶衬底，实现了低缺陷密度厚外延材料制备。
大尺寸高质量SiC单晶材料
低缺陷密度60μm SiC厚外延材料
高压大电流芯片
高压模块多芯片并联封装成对于芯片提出了更高的要求，电压高、电流大、一致性好。项目团队基于自主研制的低缺陷厚外延材料，提出了低表面电场强度的高压芯片终端结构，攻克了高质量栅氧、短沟道自对准技术等关键工艺，解决了设计和工艺兼容性差、导通电阻大、碎片率高等一系列难题，在国内首次掌握了6英寸碳化硅芯片全流程工艺，国内首次批量研制高耐压、高通流能力的6.5 kV/25 A SiC MOSFET芯片，通过高温栅偏、高温反偏等系列可靠性测试。芯片技术指标达到国际产品相同水平，部分关键指标优于国际同型器件。
6.5kV/25A SiC MOSFET晶圆
6.5kV/25A SiC MOSFET 阻断特性
6.5kV/25A SiC MOSFET 输出特性
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