国际首创 | 深圳平湖实验室联合知名科技企业成功研制8英寸20kV SiC IGBT及FRD器件，特高压功率半导体自主可控再获重大突破

在“双碳”背景之下，电网正从单向输送转向全网互联。面对AI算力、储能、充电桩等的巨量用电负荷冲击，新型电力系统加速建设、特高压输电与智能电网急需高压大功率半导体器件坐镇中枢。此次取得重大突破的20kV碳化硅IGBT/FRD，堪称电网的“强力心脏”。它不仅能扛住超高电压，更有望将庞大的特高压换流站“瘦身”至集装箱大小。这颗国际首创的芯片，正在重写未来电网的物理形态。

20kV SiC IGBT/FRD器件研发成果基于深圳平湖实验室自主搭建、面向产业验证的8英寸SiC中试平台开发，在国际上首次基于8英寸超厚碳化硅外延完成20kV电压等级SiC IGBT/FRD器件设计及制造，具备批量制造潜力。所研制出的20kV SiC IGBT器件为N型器件，单芯片尺寸1cm × 1cm，导通电流20A，耐压＞22kV@10uA，并验证了器件变温动态开关特性，在10kV/20A开关条件下常温关断损耗典型值为31mJ，150℃下关断损耗典型值为93mJ。

深圳平湖实验室研制的8英寸20kV SiC IGBT晶圆

20kV/20A SiC IGBT典型的正向耐压及正向导通特性

20kV/20A SiC IGBT在10kV/20A开关条件下典型的开关波形

与此同时，团队同步完成了与20kV SiC IGBT配套的FRD器件研制，器件单芯片尺寸1cm×1cm，导通电流20A，耐压＞22kV@10uA，并首次验证了器件变温动态开关特性，10kV/20A开关条件下常温反向恢复电荷典型值仅1.37μC，150℃下反向恢复电荷典型值为6.4μC。FRD作为IGBT模块中的续流二极管，其反向恢复特性直接影响模块的开关损耗与电磁兼容性能。20kV SiC FRD的成功研制，为特高压SiC IGBT模块的全链路自主配套提供了关键支撑。

深圳平湖实验室研制的8英寸20kV SiC FRD晶圆

20kV/20A SiC FRD 在10kV/20A开关条件下典型的反向恢复波形

二、关键技术瓶颈突破，底层设计及工艺创新

20kV SiC IGBT/FRD器件为超高压碳化硅双极型器件，在碳化硅厚膜外延材料、器件设计、流片制造以及测试、封装环节均存在大量的关键技术难点，通过深圳平湖实验室与知名科技企业组成联合攻关团队，针对高质量大尺寸低掺SiC厚膜外延生长、面积集约型超高压终端结构设计、超高压低损耗元胞结构设计、大尺寸超厚衬底精准减薄、少数载流子全域调控、低阻高稳定背面P欧姆接触工艺、超高压裸芯片测试、高绝缘封装制造等超高压SiC器件研制环节的关键技术难点，联合攻关团队进行底层设计创新及工艺创新，最终研制出20kV/20A SiC IGBT/FRD器件。

20kV级SiC IGBT及FRD器件的问世，对特高压直流输电、柔性直流换流阀、高压固态变压器等国家重大能源装备具有深远意义。与6.5kV硅IGBT器件相比，20kV级SiC IGBT及FRD可将器件串联数量降低75%，使柔性直流换流阀体积重量减少一半以上，损耗降低在全生命周期维度显著降低工程与运维成本。相比传统硅基IGBT，20kV SiC IGBT器件具备高耐压、低损耗、高频化等优势，将在特高压输电、智能电网等高压应用场景中加快推广。