专家谈功率半导体的未来发展趋势

　　这是来自电子科技大学微电子与固体电子学院副院长 张波的一篇文章，张教授就功率半导体的发展现状及未来的趋势进行了详细的解说，希望各位对这个重要的元器件有全方位的了解，文章比较长，希望大家能够耐心看完。

　　一、功率半导体的重要性

　　功率半导体器件是进行电能（功率）处理的半导体产品，是弱电控制与强电运行间的桥梁。

　　在可预见的将来，电能将一直是人类消耗的最大能源。从手机、电视、洗衣机、到高速列车，均离不开电能。无论是水电、核电、火电还是风电，甚至各种电池提供的化学电能，大部分均无法直接使用，75%以上的电能应用需由功率半导体器件进行功率变换以后才能供设备使用。

　　每个电子产品均离不开功率半导体技术。功率半导体的目的是使电能更高效、更节能、更环保并给使用者提供更多方便。如通过变频来调速，使变频空调在节能50-70%的同时，更环保、更安静、让人更舒适。人们希望便携式电子产品一次充电后有更长的使用时间，在电池没有革命性进步以前，需要更高性能的功率半导体器件进行高效的电源管理。正是由于功率半导体能将“粗电”变为“精电”，因此它是节能减排的基础技术和核心技术。

　　随着绿色环保在国际间的确立与推进，功率半导体的应用范围已从传统的工业控制和4C产业（计算机、通信、消费类电子产品和汽车），扩展到新能源（风电、太阳能）、轨道交通、智能电网等新领域。据国际市场调研机构HISISuppliResearch报告，2011年全球功率半导体市场在2010年大增37.8%以后，继续增长6.7%，达到331亿美元。中国是全球功率半导体的最大市场，占据了超过全球50%以上的份额。

　　与微处理器、存储器等数字集成半导体相比，功率半导体的产品寿命周期相对较长，可为几年甚至十几年；同时功率半导体不追求特征尺寸的快速缩小，不要求最先进的生产工艺，其生产线成本远低于Moore定律制约下的超大规模集成电路。因此，功率半导体非常适合我国的产业现状以及我国能源紧张和构建和谐社会的国情。

　　二、功率半导体的定义与分类

　　功率半导体（PowerSemiconductor，PowerManagementSemiconductor）器件可定义为进行功率处理的半导体器件。典型的功率处理功能包括变频、变压、变流、功率放大和功率管理等。

　　功率半导体器件包括功率二极管、功率开关器件与功率集成电路，前两者也称为功率（分立）器件。国内常常将功率（分立）器件称为电力电子器件，这是因为早期的功率半导体器件如大功率二极管、晶闸管等主要应用于工业和电力系统领域。

　　图1给出了功率半导体器件的分类。功率半导体器件包括功率（分立）器件（PowerDiscreteDevices）和功率集成电路。功率（分立）器件由功率二极管（PowerRectifiers和PowerDiodes）、功率晶体管（PowerTransistors）和晶闸管类器件（Thyristors）组成，其中常见的功率晶体管包括以VDMOS（VerticalDouble-DiffusionMOSFET）为代表的功率MOS器件（PowerMOSFETs）、绝缘栅双极晶体管IGBT（InsulatedGateBipolarTransistors）和功率双极晶体管（PowerBipolarTransistors或PowerBJT：PowerBipolarJunctionTransistors）。功率晶体管和晶闸管又可统称为功率开关器件（PowerSwitches）。

　　功率集成电路（PIC：PowerIC）在国际上又常被称为智能功率集成电路（SPIC：SmartPowerIC，国内又有人称之为灵巧功率集成电路）或高压集成电路（HVIC：HighVoltageIC），在本文中，我们将电源管理集成电路（PowerManagementIC）也纳入PIC的范畴。

　　二十世纪八十年代之前的功率半导体器件主要是功率二极管、可控硅整流器（SCR）和功率BJT。除功率BJT中部分功率不大的晶体管可工作至微波波段外，其余的功率半导体器件都是低频器件，一般工作在几十至几百赫兹，少数可达几千赫兹。然而功率电路在更高频率下工作时将凸显许多优点，如高效、节能、减小设备体积与重量、节约原材料等。因此在二十世纪八十年代发生了“20kHz革命”，即功率半导体电路中的工作频率提高到20kHz以上。这时传统的功率半导体器件如SCR和GTR（巨型晶体管或称为电力晶体管）等因速度慢、功耗大而不再适用，以功率MOS和IGBT为代表的新一代功率半导体器件因此应运而生。新一代功率半导体器件除具有高频（相对于传统功率器件而言）工作的特点外还都是电压控制器件，因而使驱动电路简单，逐渐成为功率半导体器件的主流和发展方向，在国际上被称为现代功率半导体器件（ModernPowerSemiconductorDevices）。

　　现代功率半导体器件的制造技术与超大规模集成电路一样都是以微细加工和MOS工艺为基础，因而为功率半导体的集成化、智能化和单片系统化提供了可能，进而促进了将功率半导体器件与过压、过流、过温等传感与保护电路及其驱动和控制电路等集成于同一芯片的单片功率集成电路的迅速发展。

　　目前市场主流的功率半导体器件是硅基器件，包括部分SOI（SOI：SilicononInsulator）基高压集成电路，随着以SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）为代表的宽禁带半导体材料制备、制造工艺与器件物理的迅速发展，SiC和硅基GaN电力电子器件逐渐成为功率半导体器件的重要发展领域。

　　三、功率半导体技术与产业发展状况

　　（一）功率二极管

　　功率二极管是功率半导体器件的重要分支，占据9%的功率半导体市场份额（2011年数据）。

　　目前商业化的功率二极管以PiN功率二极管和肖特基势垒功率二极管（SBD）为主。前者有着耐高压、大电流、低泄漏电流和低导通损耗的优点，但电导调制效应在漂移区中产生的大量少数载流子降低了关断速度，限制了电力电子系统向高频化方向发展。具有多数载流子特性的SBD有着极高的开关频率，但其串联的漂移区电阻有着与器件耐压成2.5次方的矛盾关系，阻碍了SBD的高压大电流应用，加之SBD极差的高温特性、大的泄漏电流和软击穿特性，使得硅SBD通常只工作在250伏以下的电压范围内。

　　为了获取高压、高频、低损耗功率二极管，研究人员正在两个方向进行探索。一是沿用成熟的硅基器件（超大规模集成电路）工艺，通过新理论、新结构来改善高压二极管中导通损耗与开关频率间的矛盾关系，二是采用新材料研制功率二极管。

　　在硅基功率二极管方面，结合PN结低导通损耗、优良阻断特性和SBD高频特性两者优点于一体的新器件正逐渐走向成熟并进入市场，如美国Vishay公司推出的45V-200V的TMBS系列产品，美国PowerIntegrations公司推出的Qspeed系列二极管产品等。此外，为开发具有良好高频特性和优良导通特性的高压快恢复二极管，通过控制正向导通时漂移区少数载流子浓度与分布的新结构器件也不断出现并成功应用于高性能IGBT模块中，如英飞凌公司的EmCon二级管、ABB公司的SPT＋二极管和日本富士电机的SASFWD等。***Diode公司充分利用MOS控制二极管理论和VLSI工艺研制的超势垒二极管（SuperBarrierRectifier）已经在市场上多处替代SBD。

　　随着半导体工艺技术的发展，微处理器、通讯用二次电源等都需要低电压大电流功率变换器。随着功率变换器输出电压的降低，整流损耗成为变换器的主要损耗。为使变换器效率达到90%以上，一种利用功率MOS器件低导通电阻特点的同步整流器（SR：SynchronousRectifier）及同步整流技术应运而生，低导通损耗功率MOS器件的迅速发展为高性能同步整流器奠定了强大的发展基础。

　　砷化镓（GaAs）SBD虽然已获应用，但GaAs材料1.42eV的禁带宽度和仅1.5倍于硅材料的临界击穿电场，使得GaAsSBD只能工作在600伏以下的电压范围内，远远不能满足现代电力电子技术的发展需要。SiC材料以其3倍硅的禁带宽度、10倍硅的临界击穿电场、2倍硅的饱和漂移速度和3倍硅的热导率等优良特性而得到迅速发展。SiCSBD是第一个商业化的SiC电力电子器件，目前Cree、Rohm、Infineon等十余家厂商已经将SiCSBD产品添加在其产品系列中。Cree公司已量产600-1700V/1-50A的系列SiCSBD产品，2010年所销售的SiCSBD超过了700亿伏安（VA）。

　　SiC基PiN二极管比Si基PiN二极管具有更高的阻断电压（》10kV）和更高的开关速度（》10倍）。2012年，日本京都大学报道了耐压21.7kV的SiCPiN二极管，Cree公司于2006年报道了在1.5cm？1.5cm的4H-SiC芯片上，单管输出电流达180A的4.5kVPiN二极管。在3英寸N型4H-SiC晶圆上，Cree公司制作的10kV/20APiN二极管合格率已经达到40%。

　　国内近几年在功率二极管领域发展迅速，芯片加工线已从3-4英寸向5-6英寸，甚至8英寸发展，并有江苏宏微、深圳芯微等设计公司涉足，在快恢复二极管（FRD）方面，国产器件已占据国内80%以上市场份额。

　　（二）功率晶体管

　　1.功率BJT

　　功率BJT是第一个商业化的功率晶体管，虽然存在二次击穿、安全工作区受各项参数影响而变化大、热容量小、过流能力低等缺点，学术界也一直有功率BJT将被功率MOS和IGBT所取代的观点，但由于其成熟的加工工艺、极高的成品率和低廉的成本，使功率BJT仍然在功率开关器件里占有一席之地（2010年占整个功率半导体市场5%份额）。

　　与Si基BJT相比，SiC基BJT具有低20～50倍的开关损耗以及更低的导通压降，且SiCBJT由于二次击穿的临界电流密度是Si的大约100倍而免于传统的二次击穿困扰，虽然与场控器件相比较，BJT的驱动电路较为复杂，但和SiCJFET和VDMOS器件相比，其制作工艺简单。美国GeneSiC公司已推出1200V/10A的SiC功率BJT产品，并正开发1200V-10kV的系列SiC功率BJT。

　　国内有众多厂商在生产硅基功率BJT，如深圳深爱、华润华晶、吉林华微等，广泛应用于绿色照明、充电器等领域，在国际功率BJT领域占据较大份额。

　　2.功率MOSFET

　　功率MOSFET应用领域广阔，是中小功率领域内主流的功率半导体开关器件，是DC-DC转换的核心电子器件，占据着功率半导体市场单类产品的最大份额（2010年市场销售65亿美元，占整个功率半导体市场份额21%）。

　　功率MOSFET起源于1970年代推出的垂直V型槽MOSFET（VerticalV-grooveMOSFET：VVMOS），在VVMOS基础上发展起来的以VDMOS为代表的多子导电的功率MOSFET显著地减小了开关时间，同时利用了硅片自身的特性实现了纵向耐压，冲破了电力电子系统中20kHz这一长期被认为不可逾越的障碍。

　　功率MOSFET是一种功率场效应器件，通常由多个MOSFET元胞（Cell）组成。目前功率MOSFET主要包括中高压领域传统结构平面栅功率MOS器件（VDMOS），中低压领域高密度槽栅功率MOS，和近几年发展迅速的超结（SJ：SuperJunction或Multi-RESURF或3DRESURF，电子科技大学陈星弼院士的专利中称其为复合缓冲层：CompositeBufferLayer）功率MOS。

　　功率MOS是低压（

　　此外，在低压功率MOS器件领域，美国TI公司结合RFLDMOS结构的低栅电荷、电荷平衡机理的低导通电阻以及引入N＋Sinker所具有的双面冷却所研发的NextFETTM获得了好的市场效果。

　　为开发高压低功耗功率MOS，德国Infineon公司在1998年推出了基于超结的CoolMOS。由于采用新的耐压层结构，CoolMOS在保持功率MOS优点的同时，有着极低的导通损耗。目前国际上已有包括Infineon、IR、Toshiba、Fairchild和我国华虹NEC等多家公司采用该结构生产600V-900V低功耗功率MOS。

　　除硅基功率MOS外，新材料也不断应用于功率MOS的发展中，多种基于GaAs、SiC和GaN材料的功率MOS已研制成功。美国DARPA高功率电子器件应用计划－HPE的目标之一就是研制10kV的SiCMOSFET。2011年1月，继日本Rohm公司首次在市场上推出SiC功率MOS以后，美国Cree公司也推出了1200V的SiCMOSFET产品。内置SiC-SBD与SiC-MOSFET的“全SiC”功率模块（额定1200V/100A）也首次由日本Rohm公司量产。

　　国内从1980年代即开始功率MOS研发，但直到2003年才由绍兴华越开始VDMOS量产，和由华虹NEC为境外客户代工槽栅功率MOS。近年来，国内功率MOS产业取得了飞速发展，已开始逐渐取代国外产品，江苏东光、深圳深爱、吉林华微、华润华晶、华润上华、杭州士兰微（600460，股吧）、重庆渝德、华虹NEC、上海宏力等一大批4－8英寸生产线均在批量生产功率MOS芯片，也产生了南方芯源、无锡新洁能、成都方舟等一批以功率MOS为主营业务的专业设计公司。但国内功率MOS的主流产品还是以平面栅功率MOS（VDMOS）为主，在专利保护众多、市场竞争激烈、市场份额最大的低压槽栅功率MOS领域，国内虽有涉足，但多以代工为主，缺乏具有自主知识产权和市场竞争力的高端产品。

　　国内针对SJ结构的设计和国际同步，电子科技大学等单位对SJ结构进行了大量而卓有成效的研究。SJ结构国际学术界认同的原始专利来源之一是我国的陈星弼院士，但是受限于工艺条件，国内在SJ结构的制备技术和器件开发上长期未获进展。2009年底，上海华虹NEC和电子科技大学合作，采用深槽刻蚀和外延填充技术成功实现了SJ功率MOSFET，击穿电压达到750V，部分动态参数优于国外同类产品。该成果打破了国内在SJ结构的制备和SJ器件的实用化研究方面的空白，同时也成为国际上首家8英寸SJ功率MOSFET代工平台。目前上海华虹NEC的SJ功率MOSFET平台已基本成熟，已有国内外十余家企业在其平台上逐步量产产品。