碳化硅晶体产业进展及在LED产业中的应用_彭同华

2014·LED配套材料产业发展交流对接会中国·海宁———————————————————————————————————————36碳化硅晶体产业进展及在碳化硅晶体产业进展及在LEDLED产业中的应用产业中的应用彭同华陈小龙北京天科合达蓝光半导体有限公司中国科学院物理研究所2014/04/25·浙江海宁2014·LED配套材料产业发展交流对接会报告内容报告内容SiC性能优势与市场应用SiC晶体产业进展SiC晶体在LED产业中应用天科合达公司研发进展2014·LED配套材料产业发展交流对接会中国·海宁———————————————————————————————————————37SiC材料的特性与优势•Si的3倍、GaAs的10倍•Si的10倍、GaAs的5倍•Si的2倍1、高热导率2、高击穿电场3、高饱和电子漂移速率4、抗辐照、化学稳定性好5、与GaN相近的晶格常数和热膨胀系数•工作温度~600℃SiC是电力电子器件的理想衬底低的开启电阻、高的击穿电压、高的热导率、高的工作温度降低开关损耗、降低冷却需求、器件小型轻量化、提升系统整体性能降低开关损耗缩小尺寸、减轻重量2014·LED配套材料产业发展交流对接会中国·海宁———————————————————————————————————————38SiC电力电子器件应用领域应用优势：中高压/中高端市场应用2019年SiC电力电子器件市场达约8亿美元，其中在电动汽车/混合电动汽车的份额占50%；光伏逆变器约占20%。SiC电力电子器件市场需求（数据来源：YoleDeveloppement)2014·LED配套材料产业发展交流对接会中国·海宁———————————————————————————————————————39美国导弹防御系统美军F/A-18战斗机美军“伯克”级驱逐舰SiC射频微波器件在军事、航天领域应用SiC是重要的战略物资，广泛应用于军工、航天等领域提高雷达、通信、电子对抗以及智能武器等整体性能和可靠性，使战斗机、战舰等减轻重量、增强机动性。高击穿电场Si基VS.SiC基雷达性能对比采用Si基器件采用SiC基器件探测距离4000-4800公里7000-8000公里分辨率10cm2-5cm重量5万吨0.2-1万吨体积40-70米20米其它/耐高温、抗辐射、可靠性高探测距离更远分辨率更高重量更轻体积更小2014·LED配套材料产业发展交流对接会中国·海宁———————————————————————————————————————40SiCSiC基基高亮度高亮度LEDLEDSiCSiC基高亮度基高亮度LEDLED应用应用背光源背光源交通信号灯交通信号灯信息显示信息显示汽车用灯汽车用灯舞台照明舞台照明景观照明景观照明室外照明室外照明SiC晶体生长方法物理气相传输法（PVT法）高温化学气相沉积法（HTCVD法）液相法（LPE法）应用企业Cree、II-VI、SiCrystal、Dow-Corning、NipponSteel、我国所有企业瑞典：Norstel日本：住友金属、丰田电装技术成熟度技术成熟不成熟不成熟优点技术成熟；固态原料，成本较低。原料可持续供应；精确控制原料Si/C。生长的晶体质量高、缺陷少。缺点原料持续供应性较差；气相成分比例控制较差。气态原料，成本高；技术不成熟，缺陷较多。原料持续供应性差；气相成分比例控制差。2014·LED配套材料产业发展交流对接会中国·海宁———————————————————————————————————————41SiC衬底制备工艺流程生长温度高达2300C，直接精确控温困难SiC晶体结构200多种，常见四种，自由能差异小气相法生长，原料升华为非同成份升华熔体法采用的缩径-放肩技术不能用于SiC晶体。气相法单晶直径放大技术需自主研发PVT法SiC晶体生长技术难点2014·LED配套材料产业发展交流对接会中国·海宁———————————————————————————————————————42报告内容报告内容SiC性能优势与市场应用SiC晶体产业进展SiC晶体在LED产业中应用天科合达公司研发进展SiC晶体产业发展现状11、、SiCSiC晶体行业信息由完全封晶体行业信息由完全封闭向选择性披露转变！闭向选择性披露转变！22、众多企业开始开发、众多企业开始开发适合工业化生产的适合工业化生产的SiCSiC长晶炉（包括基本工长晶炉（包括基本工艺）。艺）。3、美国、日本、德国和我国整体实力走在前面，俄罗斯、韩国和台湾正在积极跟进。44、目前晶片尺寸以、目前晶片尺寸以44英英寸为主，但正在向与寸为主，但正在向与SiSi器件生产线相兼容的器件生产线相兼容的66英寸过渡。英寸过渡。2014·LED配套材料产业发展交流对接会中国·海宁———————————————————————————————————————43•目前市场上以4英寸为主，占70%左右比例•2011年Cree发布6英寸产品，目前小批量销售•2012年II-VI、NipponSteel、DowCorning发布6英寸产品•2013年“ICSCRM”，SiCrystal、天科合达、山东天岳、韩国SKC均宣称在开展6英寸晶体研发SiCSiC晶体尺寸发展趋势晶体尺寸发展趋势SiCSiC晶体缺陷发展趋势晶体缺陷发展趋势•微管密度(MPD)控制不再是技术问题，Cree公司6英寸晶片MPD最好0.1个/cm2,平均MPD≈1个/cm2•LED应用：MPD≈2个/cm2,电力电子应用：MPD≈0.5个/cm2,射频微波应用：MPD≈0.2个/cm2•位错方面，通过外延消除位错技术，基平面位错（BPD）可消除90%以上，螺位错可降低40%左右•目前的研究重点是减少螺位错、刃位错和原料持续供应技术2014·LED配套材料产业发展交流对接会中国·海宁———————————————————————————————————————44SiCSiC晶片价格发展趋势晶片价格发展趋势（数据来源：YoleDeveloppement)SiC晶片市场需求预测（不含（不含LEDLED衬底）衬底）2019年SiC晶片市场规模约3.4亿美元（不含LED衬底）（数据来源：YoleDeveloppement)20192019年年LEDLED衬底衬底市场约市场约1616亿美元！亿美元！2014·LED配套材料产业发展交流对接会中国·海宁———————————————————————————————————————45已商品化SiC功率器件种类和规格78（脉冲）、114（脉冲）1200JFET10、14、18、20、22、30、40、501200MOSFET10、2517002、5、8、10、15、20、30、40、5012002、3、4、5、6、8、9、10、12、15、16、20、30、406501、2、3、4、6、8、10、12、16、20、28、40600SBD电流(A)电压(V)器件类型材料器件模块长晶设备天科合达沈阳科仪中电2所七星华创……天科合达山东天岳河北同光东莞天域瀚天天成中电55、13所……泰科天润苏州能讯江苏能华南车时代国网智研院华为海思……南车时代华为海思国网智研院中兴通讯南京银茂……国内SiC产业主要企业2014·LED配套材料产业发展交流对接会中国·海宁———————————————————————————————————————46材料器件模块长晶设备CreeII-VISiCrystalDowCorningNipponSteelShowaDenko……CreeInfineonRohmMitsubishiTOSHIBADENSO……CreeRohmMitsubishi……国际SiC产业主要企业LinnGTATPVATeplaEzan……报告内容报告内容SiC性能优势与市场应用SiC晶体产业进展SiC晶体在LED产业中应用天科合达公司研发进展2014·LED配套材料产业发展交流对接会中国·海宁———————————————————————————————————————47几种LED衬底分析缺陷多，离商业化有距离技术成熟直拉法、区熔法56%17%SiAl2O3SiCGaN与GaN晶格失配13.8%3.4%无与GaN热膨胀失配33.9%25%无主要生长方法泡生法、热交换法PVT法、HTCVD法HVPE法、MOCVD法技术成熟度技术成熟技术成熟不成熟LED应用国内中低端LED、国外有高端产品(1W)高亮度、大功率高端LED无商业化SiC衬底相对蓝宝石的优势热导率高（4.9W/cm·K）：适合于大功率、高亮度LED与GaN基材料晶格失配小：有助于提高外延材料质量导电衬底：可制备垂直结构的发光器件，减少制作阴极电极的工序，增加发光面积热导率高（4.9W/cm·K）：适合于大功率、高亮度LED与GaN基材料晶格失配小：有助于提高外延材料质量导电衬底：可制备垂直结构的发光器件，减少制作阴极电极的工序，增加发光面积2014·LED配套材料产业发展交流对接会中国·海宁———————————————————————————————————————483.SiC基本线性和非线性光学性质研究*导电4H和6H的载流子浓度分别为2.8×1018/cm3及1.2×1018/cm3400500600700800010203040506070Wavelength(nm)半绝缘4H（378m）导电4H（356m）导电6H（340m）半绝缘6H（353m）Transmittance(%)SiC晶体透光率SiC基VS.Al2O3基LEDLEDschip1×1mm2Cree,3wOsram,5wSiC-LEDsSapphire-LEDsCommonly,1w高的发光效率,150lm/w发光效率,100lm/w3-5X150lm/w1X100lm/wHigh-brightnessLEDs高发光效率大功率、1-5w注入功率1个SiC基LED相当于4~5个Al2O3基LED发光强度2014·LED配套材料产业发展交流对接会中国·海宁———————————————————————————————————————49Cree公司2013年LED进展2013财年LED产品营收情况营业收入：8亿美元产品毛利：3.45亿美元产品毛利润：43%。量产200lm/WLED产品。发光效率达276lm/W。SiC基LED最新研究进展2014·LED配套材料产业发展交流对接会中国·海宁———————————————————————————————————————50SiC衬底用于LED的尺寸发展趋势重庆渝北区路灯LED节能改造项目采用Cree公司SiC基LEDSiC基LED道路照明示范线2014·LED配套材料产业发展交流对接会中国·海宁———————————————————————————————————————51国内SiC基LED主要研究单位SiC上GaN基LED材料外延进展-10000100020003000SiC(006)(arcsec)002GaN(002)-1000-50005001000(arcsec)102GaN(002)FWHM:100arcsecGaN(102)FWHM:248arcsecGaN粗糙度:0.168nm2014·LED配套材料产业发展交流对接会中国·海宁———————————————————————————————————————52300mA电流下，发光功率250mW以上SiC衬底减薄后的GaN基LED：垂直结构的芯片发光SiC上GaN基LED器件进展报告内容报告内容SiC性能优势与市场应用SiC晶体产业进展SiC晶体在LED产业中应用天科合达公司研发进展2014·LED配套材料产业发展交流对接会中国·海宁———————————————————————————————————————53公司结构北京天科合达蓝光半导体有限公司加工基地（苏