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

　　（一）功率二極管

　　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(chǎng)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(shì)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(gè)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(chǎng)，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(shí)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(jí)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(shì)壘二極管（SuperBarrierRectifier）已經(jīng)在市場(chǎng)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(chǎng)，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(chǎng)、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(gè)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(bào)道了耐壓21.7kV的SiCPiN二極管，Cree公司于2006年報(bào)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(chǎng)份額。

　　（二）功率晶體管

　　1.功率BJT

　　功率BJT是第一個(gè)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(gè)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)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(chǎng)控器件相比較，BJT的驅(qū)動(dòng)電路較為復(fù)雜，但和SiCJFET和VDMOS器件相比，其制作工藝簡(jiǎn)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(rùn)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(chǎng)單類產(chǎn)品的最大份額（2010年市場(chǎng)銷售65億美元，占整個(gè)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)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(shí)間，同時(shí)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(zhǎng)期被認(rèn)為不可逾越的障礙。

　　功率MOSFET是一種功率場(chǎng)效應(yīng)器件，通常由多個(gè)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(chǎng)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(shí)，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(chǎng)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(rùn)華晶、華潤(rùn)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(yíng)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈、市場(chǎng)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(shí)產(chǎn)權(quán)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的高端產(chǎn)品。

　　國內(nèi)針對(duì)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(duì)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(zhǎng)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(dòng)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(shí)也成為國際上首家8英寸SJ功率MOSFET代工平臺(tái)。目前上海華虹NEC的SJ功率MOSFET平臺(tái)已基本成熟，已有國內(nèi)外十余家企業(yè)在其平臺(tái)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(chǎng)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(chǎng)銷售額較2009年增長(zhǎng)56%，達(dá)到32億美元，占整個(gè)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)份額10%。

　　隨著研發(fā)人員對(duì)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(shí)漂移區(qū)非平衡載流子濃度分布控制以及關(guān)斷時(shí)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(shí)宣布自己研制生產(chǎn)的IGBT進(jìn)入了第X代。總體而言，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(chǎng)截止（FieldStop：FS或弱穿通LightPunch-Through：LPT）型，包含CSTBC（CarrierStoredTrenchgateBipolarTransistor）結(jié)構(gòu)，同時(shí)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(shí)，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(bào)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(zhǎng)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(zhǎng)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(dòng)及市場(chǎng)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(dòng)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(rùn)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(rùn)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(shí)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(shí)，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(gè)、國內(nèi)第一個(gè)能夠封裝6500V以上電壓等級(jí)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(chǎng)，浙江嘉興斯達(dá)的IGBT模塊正積極向國外市場(chǎng)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(chǎng)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(bào)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(zhǎng)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(jià)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(jiǎn)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(duì)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(tái)，IR公司和EPC公司分別推出了30V和100V/200V的GaN場(chǎng)效應(yīng)電力電子器件，600V-900VGaN器件在近期也將推向市場(chǎng)。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。

　　（三）晶閘管類器件

　　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(shí)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(huì)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(dòng)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(shí)需要一個(gè)龐大的吸收（Snubber）電路等缺點(diǎn)。針對(duì)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(chǎng)。所謂硬關(guān)斷晶閘管即是在關(guān)斷時(shí)能在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)（如1？s）完成全部陽極電流向門（柵）極的轉(zhuǎn)移，此時(shí)的晶閘管關(guān)斷變成了一個(gè)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(dòng)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(jí)中高壓半導(dǎo)體開關(guān)器件。我國株洲南車時(shí)代公司也量產(chǎn)有4.5kV/4kA的IGCT。

　　（四）功率集成電路

　　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(shí)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(dòng)電流大，驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)電路簡(jiǎn)單且容易與功率器件集成，才迅速帶動(dòng)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(jià)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(dòng)器、三相無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)，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(dòng)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(dòng)電路和高性能IGBT大功率模塊的柵驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(chǔ)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(dòng)、背光LED顯示驅(qū)動(dòng)、PoE、CAN和LIN等。100V-300V的產(chǎn)品主要是PDP顯示驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等。300V以上的產(chǎn)品主要是半橋/全橋驅(qū)動(dòng)、AC/DC電源轉(zhuǎn)換和高壓照明LED驅(qū)動(dòng)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(bào)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(bào)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(tái)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(rùn)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(chǔ)工藝兼容的高密度BCD工藝平臺(tái)目前尚屬空白。