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(zhǎng) 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(shì)進(jìn)行了詳細(xì)的解說，希望各位對(duì)這個(gè)重要的元器件有全方位的了解，文章比較長(zhǎng)，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(gè)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(shí)，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(zhǎng)的使用時(shí)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(guó)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(yáng)能）、軌道交通、智能電網(wǎng)等新領(lǐng)域。據(jù)國(guó)際市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)HISISuppliResearch報(bào)告，2011年全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)在2010年大增37.8%以后，繼續(xù)增長(zhǎng)6.7%，達(dá)到331億美元。中國(guó)是全球功率半導(dǎo)體的最大市場(chǎng)，占據(jù)了超過全球50%以上的份額。

　　與微處理器、存儲(chǔ)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(duì)較長(zhǎng)，可為幾年甚至十幾年；同時(shí)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(guó)的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀以及我國(guó)能源緊張和構(gòu)建和諧社會(huì)的國(guó)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(guó)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(guó)際上又常被稱為智能功率集成電路（SPIC：SmartPowerIC，國(guó)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(shí)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(shí)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(duì)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(dòng)電路簡(jiǎn)單，逐漸成為功率半導(dǎo)體器件的主流和發(fā)展方向，在國(guó)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(dòng)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(chǎng)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(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(guó)Vishay公司推出的45V-200V的TMBS系列產(chǎn)品，美國(guó)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(guó)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(guó)產(chǎn)器件已占據(jù)國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)際上已有包括Infineon、IR、Toshiba、Fairchild和我國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)針對(duì)SJ結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和國(guó)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(guó)際學(xué)術(shù)界認(rèn)同的原始專利來源之一是我國(guó)的陳星弼院士，但是受限于工藝條件，國(guó)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(guó)外同類產(chǎn)品。該成果打破了國(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)外十余家企業(yè)在其平臺(tái)上逐步量產(chǎn)產(chǎn)品。