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[分享] 碳化硅以不同的形态在各个领域中出现

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发表于 2021-2-18 22:06:45 | 显示全部楼层 |阅读模式
近期,科技部正在对各种重点专项的计划征求意见。这些是十四五期间,国家投钱的一些地方,还是值得参考以下的。其中,碳化硅这种物质以不同的形态在各个领域中出现,从设备、单晶、陶瓷、外延、器件、应用,是一种不折不扣的热门材料。

下面,是一些例子。

在“高性能制造技术与重大装备”重点专项中,涉及到碳化硅半导体设备。

微信图片_20210218220338.jpg

名称:第三代半导体高性能碳化硅单晶制备和外延工艺及成套装备
研究内容:建立大尺寸反应室热力学和动力学模型,突破高温真空低漏率、耐高温耐腐蚀材料及老化特性、中频热场精确控制和扩径生长、膜厚及表面形貌的高精度实时监控等关键技术,研制反应室及加热、大尺寸高效能碳化硅单晶生长、碳化硅高性能外延生长等关键装备,实现6英寸碳化硅单晶生长和外延装备的国产化和批量应用,推动第三代半导体产业发展。
考核指标:6英寸半绝缘碳化硅单晶生长装备:最高温度≥2400℃,控温精度±1℃以内;控压精度±1%以内;单晶生长速率≥1cm/100h,单位能耗≤3500kW·h/kg。6英寸碳化硅外延装备:最高温度≥1700℃,控温精度±1℃以内,温度不均匀性≤2℃,漏率≤1.0^-9mbar·L/s;平均无故障工作时间≥1000h,平均修复时间≤8h;衬底表面粗糙度Ra≤0.2nm,外延片掺杂浓度不均匀性≤3%,最高生长速率≥50μm/h,表面形貌缺陷密度≤0.5个/cm2 。技术成熟度达到8级以上;申请发明专利≥10 项,制定装备相关标准≥4项;形成在 5G 通信、新能源汽车、空间抗辐射等领域应用≥10 台套。

在“新型显示与战略性电子材料”重点专项中,涉及到碳化硅晶体、器件。

微信图片_20210218220342.jpg

名称:大尺寸SiC单晶衬底制备产业化技术
研究内容:研究大尺寸4H-SiC单晶生长与电学性能控制技术,有效提升电学性质一致性和可靠性;研究 SiC 单晶生长的热力学和动力学特性,研究晶体生长过程中杂质、多相和缺陷控制技术,推进大尺寸、低成本 SiC 单晶的产业化。针对 SiC衬底加工工艺和表面质量、面型参数等关键技术问题,研究高效、低损耗的加工技术和大尺寸 SiC 单晶衬底表面粗糙度控制技术。
考核指标:实现6英寸SiC衬底材料规模化生产,6英寸SiC衬底(004)晶面的 XRD摇摆曲线半峰宽<45arcsec,TTV<10μm,WARP<30μm,表面粗糙度<0.2nm;其中半绝缘SiC衬底的微管密度<0.3cm-2,电阻率≥1×10^10Ω∙ cm;导电衬底的微管密度<0.1cm-2,电阻率<0.025Ω∙cm,基平面缺陷密度<1000个/cm2;8英寸SiC单晶直径大于200mm,4H晶型比例大于95%,使用面积大于90%,XRD半峰宽<60arcsec;申请发明专利≥10件,制定国家/行业/团体标准≥2项。

微信图片_20210218220345.jpg

名称:面向新能源汽车应用的SiC功率电子材料与器件
研究内容:针对电动汽车对大电流、高可靠性功率电子材料、芯片的需求,开展车规级 SiC 功率电子外延材料、芯片、封装技术研究及示范应用。研究高质量、低缺陷密度 SiC 外延材料生长和量产技术;开展 SiC MOSFET 和二极管结构优化设计,攻克高可靠栅极氧化、低损伤离子注入等关键器件工艺,开发低比导通电阻、高可靠的 SiC MOSFET/二极管集成功率芯片;研究提升芯片制造良率的方法和技术,攻克大面积 SiC 芯片制备技术,实现批量生产;研究低寄生参数模块设计方法、高性能散热材料和封装工艺,开发高频、高功率密度、高散热性能、高可靠性 SiC 功率模块;开发基于 SiC 模块的高功率密度车用变流器,提升整车效率和动力性能,实现在新能源汽车中的示范应用。
考核指标:实现车规级 SiC 功率电子外延材料、芯片产业化,开发出 1200 V 电压等级的大电流高可靠性 SiC 功率电子芯片,MOSFET 器件阈值电压≥3 V,沟道迁移率≥25 cm 2 /V·s,短路时间≥5 µs,比导通电阻<3 mΩ·cm 2 ,单芯片导通电流≥200 A;开发出1200V电压等级大电流、低热阻SiC功率模块,电流≥800A;开发出基于 SiC 模块的电机驱动系统,功率密度≥40 kW/L,最高效率≥99%,实现全国产 SiC 模块在新能源汽车上的示范应用;申请发明专利≥10 件,制定国家/行业/团体标准≥2 项。

名称:中高压 SiC 超级结电荷平衡理论研究及器件研制
研究内容:研究 SiC 超级结结构的电荷平衡理论和电场调控机制;研究超级结器件结构参数对器件性能的影响规律和机制,探索具有低比导通电阻的器件结构及实现方法;研究具有高电场调控能力的终端保护结构;研发高深宽比超级结器件关键工艺技术和实现方法;研制低比导通电阻的 SiC 中高压超级结器件;研究超级结器件的可靠性并进行应用验证。
考核指标:建立起 SiC 超级结器件的电荷平衡基础理论,揭示器件结构参数和工艺条件对电荷平衡效果的影响规律和机制;超级结结构深宽比≥5:1,器件阻断电压≥3.3 kV,室温下比导通电阻≤6 mΩ·cm 2 ;申请发明专利≥5 件。

在“新能源汽车”重点专项中,涉及碳化硅器件。

名称:基于新材料和新器件的电驱动系统技术
研究内容:研究基于铜合金和铜/纳米管等复合材料的高性能超级铜线及电机绕组制备技术,探索大电流 SiC MOSFET 芯片载流子输运性能高温骤降机理和抑制栅介质界面缺陷等可靠性增强方法,研究超低杂散参数/高效散热的SiC 模块与组件协同优化技术,实现材料与器件优化。研究SiC 电驱动系统新结构、多物理场集成和全域高效控制方法,研究 SiC 电驱动系统电磁兼容特性及抑制方法,解决SiC电驱动系统在高密度集成和高效控制的基础科学问题。开展新型电驱系统技术测试与分析,完成电驱系统前沿技术对标评价;开展车用服役条件下电驱系统功率器件、电机绝缘和轴承等系统致命故障检测、诊断和预测方法研究,形成电驱系统健康管理技术体系和标准规范。
考核指标:在保证延展率和绝缘层依附性等参数不变条件下,超级铜线 180℃下电阻率比铜线降低 20%,强度比普通铜线提高 10%;1200V 单芯片通流能力≥250A,导通压降≤2.5V@250A/150℃,最高结温 250℃;SiC 电机控制器峰值功率密度≥70kW/L@峰值功率 300kW,EMC 达 CISPR 等级4 要求;提交电驱系统产品对标测试与技术分析报告共 5 份,每年样本量 2 套,提交电驱系统健康管理标准规范 1 项。

在”先进结构与复合材料”重点专项中,涉及到各种碳化硅陶瓷材料。

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名称:400km/h 高速列车用碳陶(C/C-SiC)制动盘及配对闸片关键技术
研究内容:针对 400km/h 高速列车应用需求,研究高导热高强韧性碳陶(C/C-SiC)复合材料制动盘承载与摩擦功能一体化设计及其近尺寸制备技术;开发碳陶制动盘与钢质车轮/盘毂高温紧固连接技术;开发碳陶制动盘配对闸片材料配方及闸片结构设计与制备技术;开展碳陶制动盘及其配对闸片 1:1 台架试验及其失效评价方法研究,建立 400~450km/h高速列车碳陶制动盘及配对闸片的技术标准。
考核指标:碳陶复合材料密度≤2.5g/cm 3 ,抗压强度≥180MPa,抗弯强度≥120MPa,可抗25g 时速 600km/h 石头冲击。碳陶制动盘满足《动车组制动盘暂行技术条件》(TJ/CL310-2014)要求,轮盘(外径 750mm、盘厚 46.5mm)≤45Kg,轴盘(外径 640mm、盘厚 80mm)≤35Kg,比钢盘减重 60%以上;闸片满足《动车组闸片暂行技术条件》 (TJ/CL307-2019)要求,磨耗量≤0.35 cm 3 /MJ;碳陶制动盘与配对闸片的使用寿命比目前高铁使用的制动盘/闸片提高 30%以上。初速度 400km/h 时,紧急制动距离≤10500m,摩擦系数≥0.32,制动盘表面平均温度≤900℃;满足我国 400~450km/h高速列车装车使用要求,形成 10000 套/年批量化生产供应能力。

微信图片_20210218220352.png

名称:低面密度空间轻量化碳化硅光学-结构一体化构件制备
研究内容:针对空间遥感光学系统的应用需求,研究低面密度空间轻量化碳化硅光学-结构一体化构件的结构拓扑设计,开展复杂形状碳化硅构件的增材制造等新技术、新工艺研究,开发低面密度复杂形状碳化硅构件的近净尺寸成型与致密化烧结技术,开展低面密度碳化硅空间轻量化碳化硅光学-结构一体化构件的光学加工与环境模拟试验研究,实现满足空间遥感光学成像要求的低面密度碳化硅光学-结构一体化构件材料制备。
考核指标:碳化硅陶瓷材料开口气孔率≤0.5%,弹性模量≥350GPa,弯曲强度≥350MPa,热膨胀系数 2.1±0.15 -6 /K(@-50~50℃),热导率≥160 W/(m·K);光学-结构一体化构件尺寸≥500mm,面密度≤25kg/m 2 ,表面粗糙度 Ra≤1nm,面形精度 RMS≤λ/40(λ=632.8nm),500~800nm 可见光波段平均反射率≥96%,3~5μm 和 8~12μm 红外波段平均反射率≥97%;通过空间成像光学系统环境模拟试验考核(包含时效稳定性、热真空、力学振动等试验,面形精度 RMS≤λ/40)。

名称:基于激光增材制造技术的超轻型碳化硅复合材料光学部件制造
研究内容:面向空间光学系统轻量化的发展需求,研究新型超轻型碳化硅复合材料光学部件预制体激光增材制造用粉体原料的设计与高效制备技术;开发基于激光增材制造技术的碳化硅复合材料光学部件基体成型与致密化技术;开发基于激光增材制造技术的碳化硅复合材料光学部件表面致密层制备技术;开展超轻型碳化硅复合材料光学部件的加工验证研究。
考核指标:碳化硅复合材料弯曲强度≥200MPa,弹性模量≥200GPa,热导率≥100W/(m·K),热膨胀系数≤3×10^-6/K;碳化硅复合材料光学部件口径≥350mm,轻量化率≥80%,面密度≤25kg/m 2 ;研制出 350mm 以上口径碳化硅复合材料光学部件 ,表面粗糙度 Ra≤1nm ,面形精度 RMS≤λ/40( λ =632.8nm),500-800nm 波段平均反射率≥96%。

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