專家談功率半導(dǎo)體的未來發(fā)展趨勢 - 全文

　　這是來自電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院副院長 張波的一篇文章，張教授就功率半導(dǎo)體的發(fā)展現(xiàn)狀及未來的趨勢進(jìn)行了詳細(xì)的解說，希望各位對這個重要的元器件有全方位的了解，文章比較長，希望大家能夠耐心看完。

　　一、功率半導(dǎo)體的重要性

　　功率半導(dǎo)體器件是進(jìn)行電能（功率）處理的半導(dǎo)體產(chǎn)品，是弱電控制與強(qiáng)電運(yùn)行間的橋梁。

　　在可預(yù)見的將來，電能將一直是人類消耗的最大能源。從手機(jī)、電視、洗衣機(jī)、到高速列車，均離不開電能。無論是水電、核電、火電還是風(fēng)電，甚至各種電池提供的化學(xué)電能，大部分均無法直接使用，75%以上的電能應(yīng)用需由功率半導(dǎo)體器件進(jìn)行功率變換以后才能供設(shè)備使用。

　　每個電子產(chǎn)品均離不開功率半導(dǎo)體技術(shù)。功率半導(dǎo)體的目的是使電能更高效、更節(jié)能、更環(huán)保并給使用者提供更多方便。如通過變頻來調(diào)速，使變頻空調(diào)在節(jié)能50-70%的同時，更環(huán)保、更安靜、讓人更舒適。人們希望便攜式電子產(chǎn)品一次充電后有更長的使用時間，在電池沒有革命性進(jìn)步以前，需要更高性能的功率半導(dǎo)體器件進(jìn)行高效的電源管理。正是由于功率半導(dǎo)體能將“粗電”變?yōu)椤熬姟?，因此它是?jié)能減排的基礎(chǔ)技術(shù)和核心技術(shù)。

　　隨著綠色環(huán)保在國際間的確立與推進(jìn)，功率半導(dǎo)體的應(yīng)用范圍已從傳統(tǒng)的工業(yè)控制和4C產(chǎn)業(yè)（計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)類電子產(chǎn)品和汽車），擴(kuò)展到新能源（風(fēng)電、太陽能）、軌道交通、智能電網(wǎng)等新領(lǐng)域。據(jù)國際市場調(diào)研機(jī)構(gòu)HISISuppliResearch報告，2011年全球功率半導(dǎo)體市場在2010年大增37.8%以后，繼續(xù)增長6.7%，達(dá)到331億美元。中國是全球功率半導(dǎo)體的最大市場，占據(jù)了超過全球50%以上的份額。

　　與微處理器、存儲器等數(shù)字集成半導(dǎo)體相比，功率半導(dǎo)體的產(chǎn)品壽命周期相對較長，可為幾年甚至十幾年；同時功率半導(dǎo)體不追求特征尺寸的快速縮小，不要求最先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，其生產(chǎn)線成本遠(yuǎn)低于Moore定律制約下的超大規(guī)模集成電路。因此，功率半導(dǎo)體非常適合我國的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀以及我國能源緊張和構(gòu)建和諧社會的國情。

　　二、功率半導(dǎo)體的定義與分類

　　功率半導(dǎo)體（PowerSemiconductor，PowerManagementSemiconductor）器件可定義為進(jìn)行功率處理的半導(dǎo)體器件。典型的功率處理功能包括變頻、變壓、變流、功率放大和功率管理等。

　　功率半導(dǎo)體器件包括功率二極管、功率開關(guān)器件與功率集成電路，前兩者也稱為功率（分立）器件。國內(nèi)常常將功率（分立）器件稱為電力電子器件，這是因?yàn)樵缙诘墓β拾雽?dǎo)體器件如大功率二極管、晶閘管等主要應(yīng)用于工業(yè)和電力系統(tǒng)領(lǐng)域。

　　圖1給出了功率半導(dǎo)體器件的分類。功率半導(dǎo)體器件包括功率（分立）器件（PowerDiscreteDevices）和功率集成電路。功率（分立）器件由功率二極管（PowerRectifiers和PowerDiodes）、功率晶體管（PowerTransistors）和晶閘管類器件（Thyristors）組成，其中常見的功率晶體管包括以VDMOS（VerticalDouble-DiffusionMOSFET）為代表的功率MOS器件（PowerMOSFETs）、絕緣柵雙極晶體管IGBT（InsulatedGateBipolarTransistors）和功率雙極晶體管（PowerBipolarTransistors或PowerBJT：PowerBipolarJunctionTransistors）。功率晶體管和晶閘管又可統(tǒng)稱為功率開關(guān)器件（PowerSwitches）。

　　功率集成電路（PIC：PowerIC）在國際上又常被稱為智能功率集成電路（SPIC：SmartPowerIC，國內(nèi)又有人稱之為靈巧功率集成電路）或高壓集成電路（HVIC：HighVoltageIC），在本文中，我們將電源管理集成電路（PowerManagementIC）也納入PIC的范疇。

　　二十世紀(jì)八十年代之前的功率半導(dǎo)體器件主要是功率二極管、可控硅整流器（SCR）和功率BJT。除功率BJT中部分功率不大的晶體管可工作至微波波段外，其余的功率半導(dǎo)體器件都是低頻器件，一般工作在幾十至幾百赫茲，少數(shù)可達(dá)幾千赫茲。然而功率電路在更高頻率下工作時將凸顯許多優(yōu)點(diǎn)，如高效、節(jié)能、減小設(shè)備體積與重量、節(jié)約原材料等。因此在二十世紀(jì)八十年代發(fā)生了“20kHz革命”，即功率半導(dǎo)體電路中的工作頻率提高到20kHz以上。這時傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體器件如SCR和GTR（巨型晶體管或稱為電力晶體管）等因速度慢、功耗大而不再適用，以功率MOS和IGBT為代表的新一代功率半導(dǎo)體器件因此應(yīng)運(yùn)而生。新一代功率半導(dǎo)體器件除具有高頻（相對于傳統(tǒng)功率器件而言）工作的特點(diǎn)外還都是電壓控制器件，因而使驅(qū)動電路簡單，逐漸成為功率半導(dǎo)體器件的主流和發(fā)展方向，在國際上被稱為現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件（ModernPowerSemiconductorDevices）。

　　現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件的制造技術(shù)與超大規(guī)模集成電路一樣都是以微細(xì)加工和MOS工藝為基礎(chǔ)，因而為功率半導(dǎo)體的集成化、智能化和單片系統(tǒng)化提供了可能，進(jìn)而促進(jìn)了將功率半導(dǎo)體器件與過壓、過流、過溫等傳感與保護(hù)電路及其驅(qū)動和控制電路等集成于同一芯片的單片功率集成電路的迅速發(fā)展。

　　目前市場主流的功率半導(dǎo)體器件是硅基器件，包括部分SOI（SOI：SilicononInsulator）基高壓集成電路，隨著以SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料制備、制造工藝與器件物理的迅速發(fā)展，SiC和硅基GaN電力電子器件逐漸成為功率半導(dǎo)體器件的重要發(fā)展領(lǐng)域。

　　三、功率半導(dǎo)體技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r

　?。ㄒ唬┕β识O管

　　功率二極管是功率半導(dǎo)體器件的重要分支，占據(jù)9%的功率半導(dǎo)體市場份額（2011年數(shù)據(jù)）。

　　目前商業(yè)化的功率二極管以PiN功率二極管和肖特基勢壘功率二極管（SBD）為主。前者有著耐高壓、大電流、低泄漏電流和低導(dǎo)通損耗的優(yōu)點(diǎn)，但電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)在漂移區(qū)中產(chǎn)生的大量少數(shù)載流子降低了關(guān)斷速度，限制了電力電子系統(tǒng)向高頻化方向發(fā)展。具有多數(shù)載流子特性的SBD有著極高的開關(guān)頻率，但其串聯(lián)的漂移區(qū)電阻有著與器件耐壓成2.5次方的矛盾關(guān)系，阻礙了SBD的高壓大電流應(yīng)用，加之SBD極差的高溫特性、大的泄漏電流和軟擊穿特性，使得硅SBD通常只工作在250伏以下的電壓范圍內(nèi)。

　　為了獲取高壓、高頻、低損耗功率二極管，研究人員正在兩個方向進(jìn)行探索。一是沿用成熟的硅基器件（超大規(guī)模集成電路）工藝，通過新理論、新結(jié)構(gòu)來改善高壓二極管中導(dǎo)通損耗與開關(guān)頻率間的矛盾關(guān)系，二是采用新材料研制功率二極管。

　　在硅基功率二極管方面，結(jié)合PN結(jié)低導(dǎo)通損耗、優(yōu)良阻斷特性和SBD高頻特性兩者優(yōu)點(diǎn)于一體的新器件正逐漸走向成熟并進(jìn)入市場，如美國Vishay公司推出的45V-200V的TMBS系列產(chǎn)品，美國PowerIntegrations公司推出的Qspeed系列二極管產(chǎn)品等。此外，為開發(fā)具有良好高頻特性和優(yōu)良導(dǎo)通特性的高壓快恢復(fù)二極管，通過控制正向?qū)〞r漂移區(qū)少數(shù)載流子濃度與分布的新結(jié)構(gòu)器件也不斷出現(xiàn)并成功應(yīng)用于高性能IGBT模塊中，如英飛凌公司的EmCon二級管、ABB公司的SPT＋二極管和日本富士電機(jī)的SASFWD等。***Diode公司充分利用MOS控制二極管理論和VLSI工藝研制的超勢壘二極管（SuperBarrierRectifier）已經(jīng)在市場上多處替代SBD。

　　隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，微處理器、通訊用二次電源等都需要低電壓大電流功率變換器。隨著功率變換器輸出電壓的降低，整流損耗成為變換器的主要損耗。為使變換器效率達(dá)到90%以上，一種利用功率MOS器件低導(dǎo)通電阻特點(diǎn)的同步整流器（SR：SynchronousRectifier）及同步整流技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，低導(dǎo)通損耗功率MOS器件的迅速發(fā)展為高性能同步整流器奠定了強(qiáng)大的發(fā)展基礎(chǔ)。

　　砷化鎵（GaAs）SBD雖然已獲應(yīng)用，但GaAs材料1.42eV的禁帶寬度和僅1.5倍于硅材料的臨界擊穿電場，使得GaAsSBD只能工作在600伏以下的電壓范圍內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展需要。SiC材料以其3倍硅的禁帶寬度、10倍硅的臨界擊穿電場、2倍硅的飽和漂移速度和3倍硅的熱導(dǎo)率等優(yōu)良特性而得到迅速發(fā)展。SiCSBD是第一個商業(yè)化的SiC電力電子器件，目前Cree、Rohm、Infineon等十余家廠商已經(jīng)將SiCSBD產(chǎn)品添加在其產(chǎn)品系列中。Cree公司已量產(chǎn)600-1700V/1-50A的系列SiCSBD產(chǎn)品，2010年所銷售的SiCSBD超過了700億伏安（VA）。

　　SiC基PiN二極管比Si基PiN二極管具有更高的阻斷電壓（》10kV）和更高的開關(guān)速度（》10倍）。2012年，日本京都大學(xué)報道了耐壓21.7kV的SiCPiN二極管，Cree公司于2006年報道了在1.5cm？1.5cm的4H-SiC芯片上，單管輸出電流達(dá)180A的4.5kVPiN二極管。在3英寸N型4H-SiC晶圓上，Cree公司制作的10kV/20APiN二極管合格率已經(jīng)達(dá)到40%。

　　國內(nèi)近幾年在功率二極管領(lǐng)域發(fā)展迅速，芯片加工線已從3-4英寸向5-6英寸，甚至8英寸發(fā)展，并有江蘇宏微、深圳芯微等設(shè)計(jì)公司涉足，在快恢復(fù)二極管（FRD）方面，國產(chǎn)器件已占據(jù)國內(nèi)80%以上市場份額。

　?。ǘ┕β示w管

　　1.功率BJT

　　功率BJT是第一個商業(yè)化的功率晶體管，雖然存在二次擊穿、安全工作區(qū)受各項(xiàng)參數(shù)影響而變化大、熱容量小、過流能力低等缺點(diǎn)，學(xué)術(shù)界也一直有功率BJT將被功率MOS和IGBT所取代的觀點(diǎn)，但由于其成熟的加工工藝、極高的成品率和低廉的成本，使功率BJT仍然在功率開關(guān)器件里占有一席之地（2010年占整個功率半導(dǎo)體市場5%份額）。

　　與Si基BJT相比，SiC基BJT具有低20～50倍的開關(guān)損耗以及更低的導(dǎo)通壓降，且SiCBJT由于二次擊穿的臨界電流密度是Si的大約100倍而免于傳統(tǒng)的二次擊穿困擾，雖然與場控器件相比較，BJT的驅(qū)動電路較為復(fù)雜，但和SiCJFET和VDMOS器件相比，其制作工藝簡單。美國GeneSiC公司已推出1200V/10A的SiC功率BJT產(chǎn)品，并正開發(fā)1200V-10kV的系列SiC功率BJT。

　　國內(nèi)有眾多廠商在生產(chǎn)硅基功率BJT，如深圳深愛、華潤華晶、吉林華微等，廣泛應(yīng)用于綠色照明、充電器等領(lǐng)域，在國際功率BJT領(lǐng)域占據(jù)較大份額。

　　2.功率MOSFET

　　功率MOSFET應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，是中小功率領(lǐng)域內(nèi)主流的功率半導(dǎo)體開關(guān)器件，是DC-DC轉(zhuǎn)換的核心電子器件，占據(jù)著功率半導(dǎo)體市場單類產(chǎn)品的最大份額（2010年市場銷售65億美元，占整個功率半導(dǎo)體市場份額21%）。

　　功率MOSFET起源于1970年代推出的垂直V型槽MOSFET（VerticalV-grooveMOSFET：VVMOS），在VVMOS基礎(chǔ)上發(fā)展起來的以VDMOS為代表的多子導(dǎo)電的功率MOSFET顯著地減小了開關(guān)時間，同時利用了硅片自身的特性實(shí)現(xiàn)了縱向耐壓，沖破了電力電子系統(tǒng)中20kHz這一長期被認(rèn)為不可逾越的障礙。

　　功率MOSFET是一種功率場效應(yīng)器件，通常由多個MOSFET元胞（Cell）組成。目前功率MOSFET主要包括中高壓領(lǐng)域傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)平面柵功率MOS器件（VDMOS），中低壓領(lǐng)域高密度槽柵功率MOS，和近幾年發(fā)展迅速的超結(jié)（SJ：SuperJunction或Multi-RESURF或3DRESURF，電子科技大學(xué)陳星弼院士的專利中稱其為復(fù)合緩沖層：CompositeBufferLayer）功率MOS。

　　功率MOS是低壓（

　　此外，在低壓功率MOS器件領(lǐng)域，美國TI公司結(jié)合RFLDMOS結(jié)構(gòu)的低柵電荷、電荷平衡機(jī)理的低導(dǎo)通電阻以及引入N＋Sinker所具有的雙面冷卻所研發(fā)的NextFETTM獲得了好的市場效果。

　　為開發(fā)高壓低功耗功率MOS，德國Infineon公司在1998年推出了基于超結(jié)的CoolMOS。由于采用新的耐壓層結(jié)構(gòu)，CoolMOS在保持功率MOS優(yōu)點(diǎn)的同時，有著極低的導(dǎo)通損耗。目前國際上已有包括Infineon、IR、Toshiba、Fairchild和我國華虹NEC等多家公司采用該結(jié)構(gòu)生產(chǎn)600V-900V低功耗功率MOS。

　　除硅基功率MOS外，新材料也不斷應(yīng)用于功率MOS的發(fā)展中，多種基于GaAs、SiC和GaN材料的功率MOS已研制成功。美國DARPA高功率電子器件應(yīng)用計(jì)劃－HPE的目標(biāo)之一就是研制10kV的SiCMOSFET。2011年1月，繼日本Rohm公司首次在市場上推出SiC功率MOS以后，美國Cree公司也推出了1200V的SiCMOSFET產(chǎn)品。內(nèi)置SiC-SBD與SiC-MOSFET的“全SiC”功率模塊（額定1200V/100A）也首次由日本Rohm公司量產(chǎn)。

　　國內(nèi)從1980年代即開始功率MOS研發(fā)，但直到2003年才由紹興華越開始VDMOS量產(chǎn)，和由華虹NEC為境外客戶代工槽柵功率MOS。近年來，國內(nèi)功率MOS產(chǎn)業(yè)取得了飛速發(fā)展，已開始逐漸取代國外產(chǎn)品，江蘇東光、深圳深愛、吉林華微、華潤華晶、華潤上華、杭州士蘭微（600460，股吧）、重慶渝德、華虹NEC、上海宏力等一大批4－8英寸生產(chǎn)線均在批量生產(chǎn)功率MOS芯片，也產(chǎn)生了南方芯源、無錫新潔能、成都方舟等一批以功率MOS為主營業(yè)務(wù)的專業(yè)設(shè)計(jì)公司。但國內(nèi)功率MOS的主流產(chǎn)品還是以平面柵功率MOS（VDMOS）為主，在專利保護(hù)眾多、市場競爭激烈、市場份額最大的低壓槽柵功率MOS領(lǐng)域，國內(nèi)雖有涉足，但多以代工為主，缺乏具有自主知識產(chǎn)權(quán)和市場競爭力的高端產(chǎn)品。

　　國內(nèi)針對SJ結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和國際同步，電子科技大學(xué)等單位對SJ結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量而卓有成效的研究。SJ結(jié)構(gòu)國際學(xué)術(shù)界認(rèn)同的原始專利來源之一是我國的陳星弼院士，但是受限于工藝條件，國內(nèi)在SJ結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)和器件開發(fā)上長期未獲進(jìn)展。2009年底，上海華虹NEC和電子科技大學(xué)合作，采用深槽刻蝕和外延填充技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了SJ功率MOSFET，擊穿電壓達(dá)到750V，部分動態(tài)參數(shù)優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。該成果打破了國內(nèi)在SJ結(jié)構(gòu)的制備和SJ器件的實(shí)用化研究方面的空白，同時也成為國際上首家8英寸SJ功率MOSFET代工平臺。目前上海華虹NEC的SJ功率MOSFET平臺已基本成熟，已有國內(nèi)外十余家企業(yè)在其平臺上逐步量產(chǎn)產(chǎn)品。

　　3.IGBT

　　IGBT自1980年代發(fā)明后很快走入市場并取得巨大成功。IGBT電壓應(yīng)用領(lǐng)域從370V到6500V，是中高功率應(yīng)用的主流開關(guān)器件。2010年全球IGBT市場銷售額較2009年增長56%，達(dá)到32億美元，占整個功率半導(dǎo)體市場份額10%。

　　隨著研發(fā)人員對IGBT器件物理的深入理解和微電子工藝的進(jìn)步，IGBT正向?qū)〞r漂移區(qū)非平衡載流子濃度分布控制以及關(guān)斷時快速抽取的所謂“集電極工程”、表面電子濃度增強(qiáng)的“柵工程”、IGBT芯片內(nèi)含續(xù)流二極管功能的逆導(dǎo)型IGBT，以及短路安全工作區(qū)和壓接式封裝等方面不斷取得進(jìn)展，各大公司不時宣布自己研制生產(chǎn)的IGBT進(jìn)入了第X代?？傮w而言，可以把IGBT的演變歸納為以下六代。

　　第一代—CZ（Czochralski，直拉）晶片（異質(zhì)外延片）平面柵PT型（PunchThough，穿通）型，采用異質(zhì)雙外延在DMOS工藝基礎(chǔ)上制得；

　　第二代—CZ晶片（異質(zhì)外延片）精細(xì)結(jié)構(gòu)平面柵PT型；

　　第三代—CZ晶片（異質(zhì)外延片）槽柵（TrenchGate）PT型；

　　第四代—FZ（Float-Zone，區(qū)熔）晶片平面柵NPT（NonPunchThough，非穿通）型；

　　第五代—FZ晶片槽柵電場截止（FieldStop：FS或弱穿通LightPunch-Through：LPT）型，包含CSTBC（CarrierStoredTrenchgateBipolarTransistor）結(jié)構(gòu)，同時也包括逆導(dǎo)（ReverseConducting：RC）、逆阻（ReverseBlocking：RB）型結(jié)構(gòu)IGBT。

　　第六代—第五代基礎(chǔ)上有更薄的硅片，更精細(xì)的元胞結(jié)構(gòu)。

　　未來IGBT將繼續(xù)向精細(xì)圖形、槽柵結(jié)構(gòu)、載流子注入增強(qiáng)和薄片加工工藝發(fā)展，其中薄片加工工藝極具挑戰(zhàn)（Infineon公司2011年已經(jīng)展示其8英寸、40m厚的IGBT芯片）。同時，電網(wǎng)等應(yīng)用的壓接式IGBT、更多的集成也是IGBT的發(fā)展方向，如從中低功率向高功率發(fā)展的RC-IGBT。

　　除硅基IGBT外，SiC材料已被用于IGBT的研制，2007年，Purdu大學(xué)研制了阻斷電壓高達(dá)20kV的SiCP-IGBT，同年Cree公司也報道了12kV的SiCN-IGBT，美國DARPA高功率電子器件應(yīng)用計(jì)劃－HPE的目標(biāo)之一就是研制10-20kV的SiCIGBT。隨著SiC材料生長技術(shù)的進(jìn)一步完善，SiCIGBT將走向?qū)嵱谩?/p>

　　國內(nèi)在“八五”科技攻關(guān)中即安排了IGBT研發(fā)，但長期以來只有樣品沒有產(chǎn)品，只有IGBT模塊生產(chǎn)，沒有IGBT芯片國產(chǎn)化。近兩年，我國IGBT產(chǎn)業(yè)在國家政策及重大項(xiàng)目的推動及市場牽引下得到了迅速發(fā)展，呈現(xiàn)出大尺寸FZ單晶材料、IGBT芯片工藝和IGBT模塊封裝技術(shù)全面蓬勃發(fā)展的大好局面。天津中環(huán)半導(dǎo)體股份有限公司研制的6英寸FZ單晶材料已批量應(yīng)用，在國家“02”科技重大專項(xiàng)的推動下，8英寸FZ單晶材料已取得重大突破；電磁灶用1200VNPT型IGBT已由多家企業(yè)（江蘇東光、華潤華晶、山東科達(dá)等）批量供貨，這標(biāo)志著我國國產(chǎn)IGBT芯片打破了國外一統(tǒng)天下的局面；華潤上華和華虹NEC基于6英寸和8英寸的平面型和溝槽型600V、1200V、1700V、2500V和3300VIGBT芯片已研制成功，正進(jìn)行可靠性考核或部分進(jìn)入量產(chǎn)；4500V和6500VIGBT芯片研制也在積極推進(jìn)中；杭州士蘭微基于全部自身芯片（IGBT、FRD、高壓DriverIC）的IPM模塊已研發(fā)成功正進(jìn)入用戶考核；封裝技術(shù)取得重大進(jìn)展。株洲南車時代電氣股份有限公司的IGBT功率模塊已在國內(nèi)地鐵及機(jī)車上裝車運(yùn)行，產(chǎn)品性能等同于國外產(chǎn)品。株洲南車在建立海外功率半導(dǎo)體研發(fā)中心的同時，正在湖南建設(shè)大功率IGBT產(chǎn)業(yè)化基地，在擴(kuò)展IGBT模塊封裝線的基礎(chǔ)上，建設(shè)8英寸IGBT芯片生產(chǎn)線。中國北車集團(tuán)屬下的西安永電電氣有限責(zé)任公司在國家“02”科技重大專項(xiàng)“高壓大功率IGBT模塊封裝技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目中研制的6500V/600AIGBT功率模塊已成功下線，使企業(yè)成為世界第四個、國內(nèi)第一個能夠封裝6500V以上電壓等級IGBT的廠家。此外，江蘇宏微的IGBT模塊已成功進(jìn)入電焊機(jī)市場，浙江嘉興斯達(dá)的IGBT模塊正積極向國外市場推廣。雖然國內(nèi)IGBT行業(yè)近年來取得了重大進(jìn)展，但我們必須清醒地看到，國內(nèi)IGBT行業(yè)與國外相比還存在巨大差距，主要是芯片生產(chǎn)技術(shù)上，在量大面廣的400V-600V薄片F(xiàn)S（場阻）結(jié)構(gòu)IGBT芯片生產(chǎn)、高可靠高性能IGBT芯片技術(shù)、壓接式IGBT功率模塊生產(chǎn)技術(shù)等領(lǐng)域我們與國際先進(jìn)水平還有較大差距。

　　4.SiCJFET、SiCSIT及硅基GaN開關(guān)器件

　　作為沒有肖特基接觸和MOS界面的單極器件JFET，由于采用p-n結(jié)柵極，避免了SiCMOSFET存在的低反型層溝道遷移率和SiO2層可靠性低的問題。SiCJFET功率開關(guān)已成為SiC單極器件的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，美國Rutgers大學(xué)報道的常關(guān)型Ti-VJFET器件的阻斷電壓已達(dá)到11kV，比導(dǎo)通電阻130m.cm2，品質(zhì)因子930MW/cm2。美國SemiSouth公司已商業(yè)推出從650V-1700V的系列SiCJFET產(chǎn)品。

　　靜電感應(yīng)晶體管（Staticinductiontransistors，SIT）是一種由pn結(jié)柵或肖特基結(jié)柵控制的多子導(dǎo)電器件，除了應(yīng)用在微波功率器件的低頻領(lǐng)域（UHF－C波段）外，SiCSIT是市場上第一款SiC功率開關(guān)器件。該SiCSIT器件耐壓為1200V，導(dǎo)通電阻為12m.cm2。

　　GaN材料具有3倍硅的禁帶寬度、10倍硅的臨界擊穿電場和2.5倍硅的飽和漂移速度，特別是基于GaN的AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)具有更高的電子遷移率，使得GaN器件具有低導(dǎo)通電阻、高工作頻率，能滿足下一代電子裝備對功率器件更大功率、更高頻率、更小體積和更惡劣高溫工作的要求。近年來，隨著GaN材料在光電器件領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，加速了GaN材料的發(fā)展，特別是大直徑硅襯底GaN外延生長技術(shù)的進(jìn)步以及逐步商業(yè)化，使得GaN具有更低廉的成本價格，有力地促進(jìn)了GaN功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展。

　　目前，基于GaN的功率開關(guān)器件主要包括AlGaN/GaNHEMT（HFET）、GaN基MOSFET和MIS-HEMT等結(jié)構(gòu)。其中，AlGaN/GaNHEMT具有工藝簡單、技術(shù)成熟、優(yōu)良的正向?qū)ㄌ匦院透叩墓ぷ黝l率等優(yōu)點(diǎn)，成為GaN功率開關(guān)器件中最受關(guān)注的結(jié)構(gòu)。

　　眾所周知，基于AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)的晶體管是耗盡型（常開型）器件，而具有正閾值電壓的增強(qiáng)型（常關(guān)型）功率開關(guān)器件能夠確保功率電子系統(tǒng)的安全性、降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜性等，是功率系統(tǒng)中的首選器件。因此，對于AlGaN/GaNHEMT器件而言，增強(qiáng)型HEMT器件實(shí)現(xiàn)技術(shù)也是研究者們極其關(guān)注的問題。目前國際上多采用超薄AlGaN層、凹槽柵、P型柵和氟離子注入等方法實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型導(dǎo)電溝道。

　　目前基于6英寸硅基GaN平臺，IR公司和EPC公司分別推出了30V和100V/200V的GaN場效應(yīng)電力電子器件，600V-900VGaN器件在近期也將推向市場。以歐洲微電子研究中心為代表的研發(fā)機(jī)構(gòu)正開展8英寸硅基GaN電力電子器件研究。

　?。ㄈ┚чl管類器件

　　在半導(dǎo)體功率開關(guān)器件中，晶閘管是目前具有最高耐壓容量與最大電流容量的器件，其最大電流額定值達(dá)到10kA，電壓額定值可達(dá)12kV。ABB公司和株洲南車時代公司已分別在150mm直徑的硅片上工業(yè)化生產(chǎn)8.5kV/4kA和7.2kV/4.5kA的晶閘管。

　　晶閘管改變了整流管“不可控”的整流特性，為方便地調(diào)節(jié)輸出電壓提供了條件。但其控制極（門極）僅有控制晶閘管導(dǎo)通的作用，不能使業(yè)已導(dǎo)通的晶閘管恢復(fù)阻斷狀態(tài)，只有借助將陽極電流減小至維持電流以下或陰、陽極間電壓反向來關(guān)斷晶閘管。在整流電路中，交流電源的負(fù)半周自然會關(guān)斷晶閘管，但在直流電路中，要想關(guān)斷晶閘管必須設(shè)置能給其施加反向電壓的換向電路才行，這給應(yīng)用帶來很大麻煩。一種通過門極控制其導(dǎo)通和關(guān)斷的晶閘管？門極關(guān)斷晶閘管GTO在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生并得到發(fā)展，目前已有包括日本三菱電機(jī)公司、瑞典ABB等多家廠商能在6英寸硅片上生產(chǎn)6kV/6kA，頻率1kHz的GTO，研制水平已達(dá)8kV/8kA。但GTO仍然有著復(fù)雜的門極驅(qū)動電路、低耐量的di/dt和dV/dt，小的安全工作區(qū)（SafeOperatingArea—SOA），以及在工作時需要一個龐大的吸收（Snubber）電路等缺點(diǎn)。針對GTO的上述缺陷，在充分發(fā)揮GTO高壓大電流下單芯片工作和低導(dǎo)通損耗特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，多種MOS柵控制且具有硬關(guān)斷（HardSwitching）能力的新型大功率半導(dǎo)體器件在上世紀(jì)九十年代相繼問世并陸續(xù)走向市場。所謂硬關(guān)斷晶閘管即是在關(guān)斷時能在一個很短的時間內(nèi)（如1？s）完成全部陽極電流向門（柵）極的轉(zhuǎn)移，此時的晶閘管關(guān)斷變成了一個pnp晶體管關(guān)斷模式，因而無需設(shè)置龐大、笨重且昂貴的吸收電路。硬關(guān)斷晶閘管的代表性產(chǎn)品包括瑞典ABB公司研制的集成柵換流晶閘管IGCT、美國硅功率公司提出的MOS關(guān)斷晶閘管MTO和由美國AlexHuang提出的發(fā)射極關(guān)斷晶閘管ETO。在硬關(guān)斷晶閘管中，IGCT應(yīng)用較為廣泛。IGCT是集成門極驅(qū)動電路和門極換流晶閘管（GCT）的總稱，其中GCT部分是在GTO基礎(chǔ)上做重大改進(jìn)而形成，是一種較理想的兆瓦（MW）級中高壓半導(dǎo)體開關(guān)器件。我國株洲南車時代公司也量產(chǎn)有4.5kV/4kA的IGCT。

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　　PIC出現(xiàn)于七十年代后期，由于單芯片集成，PIC減少了系統(tǒng)中的元件數(shù)、互連數(shù)和焊點(diǎn)數(shù)，不僅提高了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，而且減少了系統(tǒng)的功耗、體積、重量和成本。但由于當(dāng)時的功率器件主要為雙極型晶體管、GTO等，功率器件所需的驅(qū)動電流大，驅(qū)動和保護(hù)電路復(fù)雜，PIC的研究并未取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。直至八十年代，由MOS柵控制、具有高輸入阻抗、低驅(qū)動功耗、容易保護(hù)等特點(diǎn)的新型MOS類功率器件如功率MOS器件、IGBT等的出現(xiàn)，使得驅(qū)動電路簡單且容易與功率器件集成，才迅速帶動了PIC的發(fā)展，但復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和昂貴的工藝成本限制了PIC的應(yīng)用。進(jìn)入九十年代后，PIC的設(shè)計(jì)與工藝水平不斷提高，性能價格比不斷改進(jìn)，PIC逐步進(jìn)入了實(shí)用階段。迄今已有系列PIC產(chǎn)品問世，包括功率MOS智能開關(guān)，電源管理電路、半橋或全橋逆變器、兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、三相無刷電機(jī)驅(qū)動器、直流電機(jī)單相斬波器、PWM專用PIC、線性集成穩(wěn)壓器、開關(guān)集成穩(wěn)壓器等。一些著名國際公司在功率集成技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，如德州儀器（TI）、意法半導(dǎo)體（ST）、仙童半導(dǎo)體（Fairchild）、國際整流器（IR）、安森美（On-Semi）、PowerIntegration（PI）等世界著名的半導(dǎo)體公司，它們已將功率集成電路產(chǎn)品系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。

　　近幾年隨著移動通信、數(shù)字消費(fèi)電子和計(jì)算機(jī)等產(chǎn)品制造業(yè)的強(qiáng)勁增長，以電壓調(diào)整器為代表的電源管理集成電路得到迅速發(fā)展。有人認(rèn)為功率集成電路重在高低壓兼容的功率集成（PowerIntegration），而電源管理集成電路重在功率管理（PowerManagement），故應(yīng)獨(dú)立于功率集成電路之外。筆者認(rèn)為功率集成電路即是進(jìn)行功率處理的集成電路，電源管理集成電路應(yīng)置于功率集成電路的范圍之內(nèi)。

　　SOI集成電路具有高速、高集成度、低功耗和抗輻照等優(yōu)點(diǎn)，SOI技術(shù)已成為先進(jìn)硅集成技術(shù)的主流技術(shù)之一。由于SOI具有易于隔離的特性，使其在功率半導(dǎo)體技術(shù)中也有著廣泛的應(yīng)用前景。日本東芝已利用SOI技術(shù)研制成功500V/1A的三相DC無刷馬達(dá)驅(qū)動電路并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，SOI高壓集成電路已廣泛用于等離子體顯示平板（PDP）驅(qū)動電路和高性能IGBT大功率模塊的柵驅(qū)動中。

　　BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）技術(shù)是指將Bipolar模擬電路、CMOS邏輯電路和DMOS基高壓功率器件集成在同一塊芯片上的工藝集成技術(shù)，BCD已成為功率集成電路的主流工藝技術(shù)。

　　BCD技術(shù)的眾多特殊要求適應(yīng)了不同的應(yīng)用需要，產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀也證明不存在“通用”的BCD技術(shù)規(guī)范，按照工藝特點(diǎn)，BCD技術(shù)可以分為高壓BCD、大功率BCD、高集成度BCD等。高壓BCD主要用于PDP等要求高耐壓（100V以上）但工作電流不大的領(lǐng)域，大功率BCD主要用于自動控制等要求大電流、中等電壓（50V左右）的領(lǐng)域，高集成度BCD則主要用于需要與CMOS非易失性存儲電路工藝兼容的領(lǐng)域。根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用電壓的不同，也可以將基于BCD工藝的功率集成電路分為三類：100V以下，100V-300V及300V以上。100V以下的產(chǎn)品種類最多，應(yīng)用最廣泛，包括DC-DC轉(zhuǎn)換、LCD顯示驅(qū)動、背光LED顯示驅(qū)動、PoE、CAN和LIN等。100V-300V的產(chǎn)品主要是PDP顯示驅(qū)動和電機(jī)驅(qū)動等。300V以上的產(chǎn)品主要是半橋/全橋驅(qū)動、AC/DC電源轉(zhuǎn)換和高壓照明LED驅(qū)動等。

　　BCD工藝正向高壓、高功率、高密度方向發(fā)展，2003年意法半導(dǎo)體引入了采用0.18/0.15？m的體硅BCD8工藝；2006年日本Renesas公司報道了0.25？m的SOIBCD工藝；2009年東芝公司推出了60V0.13？m的體硅BCD工藝，可應(yīng)用于高效DC－DC的電源管理和SoC的單片集成；1200V的BCD技術(shù)也已在Fairchild完成。

　　除硅基和SOI功率集成技術(shù)在不斷發(fā)展外，GaN功率集成在近兩年也受到國際關(guān)注。GaN智能功率技術(shù)將實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)硅功率芯片技術(shù)所不能達(dá)到的工作安全性、工作速度及高溫承受能力。2009年香港科技大學(xué)率先報道了單片集成功率晶體管和功率整流器的GaNBoost轉(zhuǎn)換器，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)出GaN智能功率集成技術(shù)平臺雛形。由于GaN電力電子器件可基于硅襯底進(jìn)行研制，因此異質(zhì)集成有可能成為GaN功率半導(dǎo)體的研究熱點(diǎn)

　　在國內(nèi)，在“02專項(xiàng)”的支持下，HHNEC、華潤上華、上海宏力和杭州士蘭微等單位開展了40V－600V高壓BCD工藝技術(shù)研發(fā)，較好地支撐了國內(nèi)功率IC的發(fā)展，但與FLASH等存儲工藝兼容的高密度BCD工藝平臺目前尚屬空白。

　　四、我國功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

　　國際著名市場調(diào)研公司HISISuppliResearch公司2012年9月給出的全球前10大功率半導(dǎo)體供應(yīng)商是TI、ST、Infineon、Mitsubishi、Renesas、Toshiba、Maxim、Fairchild、IR和ONSemi，而據(jù)IMSResearch公司2012年6月給出的報告，全球前10大功率半導(dǎo)體分立器件和模塊供應(yīng)商是Infineon、Mitsubishi、Toshiba、ST、IR、FujiElectric、Fairchild、Vishay、Renesas和Semikron。這些供應(yīng)商均是大型IDM企業(yè)，同時我們注意到，全球前三大功率半導(dǎo)體分立器件和模塊供應(yīng)商均（或曾）屬于整機(jī)企業(yè)。

　　在國內(nèi)，功率半導(dǎo)體器件的作用長期以來沒有引起人們足夠的重視，國內(nèi)功率半導(dǎo)體行業(yè)處于小、散狀態(tài)，相較于TI、Infineon已開始在12英寸晶園上生產(chǎn)功率半導(dǎo)體產(chǎn)品，國內(nèi)目前還沒有一家功率半導(dǎo)體IDM企業(yè)擁有8英寸生產(chǎn)線。國內(nèi)大部分功率半導(dǎo)體IDM企業(yè)傳統(tǒng)上以硅基二極管、三極管和晶閘管為主，國際功率半導(dǎo)體器件的主流產(chǎn)品功率MOS器件和IGBT只是近年才有所涉及。寬禁帶半導(dǎo)體器件主要以微波功率器件（SiCMESFET和GaNHEMT）為主，針對市場應(yīng)用的寬禁帶電力電子器件產(chǎn)品研發(fā)剛剛起步。目前市場熱點(diǎn)的高壓BCD集成技術(shù)雖然引起了從功率半導(dǎo)體器件IDM廠家到集成電路代工廠的高度關(guān)注，但發(fā)展水平與國際先進(jìn)相比仍有較大差距。雖然“02專項(xiàng)”支持了低壓BCD工藝和600V硅基/SOI基高壓BCD工藝開發(fā)，但內(nèi)嵌FLASH的高密度BCD工藝尚屬空白。功率半導(dǎo)體是汽車電子的重要領(lǐng)域，但獲得汽車電子產(chǎn)品認(rèn)證的國內(nèi)功率半導(dǎo)體生產(chǎn)企業(yè)寥寥無幾，絕大部分車用功率半導(dǎo)體依賴國外進(jìn)口。

　　但我們必須欣喜地看到，在市場需求的牽引下，在國家政府項(xiàng)目，特別是國家“02”科技重大專項(xiàng)支持引導(dǎo)下，我國功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)展現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的局面：國內(nèi)眾多6寸線、8寸線開始涉足功率半導(dǎo)體器件生產(chǎn)；深圳華為、株洲南車、北車永濟(jì)、廣東美的、國家電網(wǎng)等國內(nèi)骨干整機(jī)（系統(tǒng)）企業(yè)開始研發(fā)或投資建設(shè)以IGBT為代表的先進(jìn)功率半導(dǎo)體器件；一大批功率半導(dǎo)體領(lǐng)域海外留學(xué)人員回國創(chuàng)業(yè)。

　　筆者認(rèn)為，功率半導(dǎo)體是最適合中國發(fā)展的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，相對于超大規(guī)模集成電路而言，其資金投入較低、產(chǎn)品周期較長、市場關(guān)聯(lián)度更高、且還沒有形成如英特爾和三星那樣的壟斷企業(yè)（全球規(guī)?；β拾雽?dǎo)體企業(yè)超過100家，前10大功率半導(dǎo)體企業(yè)銷售額只占全球份額的50%）。但中國功率半導(dǎo)體的發(fā)展必須改變目前封裝強(qiáng)于芯片、芯片強(qiáng)于設(shè)計(jì)的局面，應(yīng)加強(qiáng)與整機(jī)企業(yè)的聯(lián)動，大力發(fā)展設(shè)計(jì)技術(shù)，以市場帶動設(shè)計(jì)、以設(shè)計(jì)促進(jìn)芯片、以芯片壯大產(chǎn)業(yè)。

　　功率半導(dǎo)體芯片不同于以數(shù)字集成電路為基礎(chǔ)的超大規(guī)模集成電路，功率半導(dǎo)體芯片屬于模擬器件的范疇。功率器件和功率集成電路的設(shè)計(jì)與工藝制造密切相關(guān)，因此國際上著名的功率器件和功率集成電路提供商均屬于IDM企業(yè)。國內(nèi)功率半導(dǎo)體企業(yè)（包括代工企業(yè)）在提升工藝水平的同時，應(yīng)加強(qiáng)與系統(tǒng)廠商的合作，不斷提高國內(nèi)功率半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新力度和產(chǎn)品性能，以滿足高端市場的需求，促進(jìn)功率半導(dǎo)體市場的健康發(fā)展。

　　設(shè)計(jì)弱于芯片的局面起源于設(shè)計(jì)力量的薄弱。企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)人才的培養(yǎng)與引進(jìn)，積極開展產(chǎn)學(xué)研協(xié)作，以雄厚的技術(shù)實(shí)力支撐企業(yè)的發(fā)展。

　　我國功率半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展最終還應(yīng)依靠功率半導(dǎo)體IDM企業(yè)，在目前自身生產(chǎn)條件落后于國際先進(jìn)水平的狀況下，IDM企業(yè)不能局限于自身產(chǎn)品線的生產(chǎn)能力，應(yīng)充分依托國內(nèi)功率半導(dǎo)體器件龐大的市場空間，用技術(shù)去開拓市場，逐漸從替代產(chǎn)品向產(chǎn)品創(chuàng)新、牽引整機(jī)發(fā)展轉(zhuǎn)變；大力發(fā)展設(shè)計(jì)能力，一方面依靠自身工藝線進(jìn)行生產(chǎn)，加強(qiáng)技術(shù)改造和具有自身工藝特色的產(chǎn)品創(chuàng)新，另一方面借用先進(jìn)代工線的生產(chǎn)能力，壯大自身產(chǎn)品線，加速企業(yè)發(fā)展；同時擇機(jī)從芯片向器件，從芯片向模塊，從模塊向組件、整機(jī)發(fā)展。

　　從國際知名功率半導(dǎo)體企業(yè)，特別是功率半導(dǎo)體模塊企業(yè)分析，有著系統(tǒng)整機(jī)應(yīng)用的IDM企業(yè)具有得天獨(dú)厚的發(fā)展機(jī)會，因此我們期望更多的系統(tǒng)整機(jī)企業(yè)向株洲南車那樣，面向國際競爭，完善核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈，進(jìn)而推動中國功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展。