浅谈功率半导体的技术与未来产业发展

2019-02-24 02:18字体:
  

  功率半导体作为一种重要的元器件,在强电与弱点之间的转换控制中起着十分重要的作用,自诞生以来一直备受工程师的喜爱和关注。经过了很长一段时间的发展,功率半导体在相关电源电路中的应用已经不可替代。尤其是在当前太阳能着力发展的时代,功率半导体更是大踏步向前,虽然目前有着氮化镓与碳化硅等更好的材料,但由于价格以及相关因素的缘故,功率半导体器件在相当长一段时期内会起着重要的作用,下面我们就功率半导体的技术以及未来的技术发展趋势进行分析,希望能给大家提供必要的帮助。

  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。

  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。

  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。

  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。台湾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。

  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。

  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。

  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。

  IGBT自1980年代发明后很快走入市场并取得巨大成功。IGBT电压应用领域从370V到6500V,是中高功率应用的主流开关器件。2010年全球IGBT市场销售额较2009年增长56%,达到32亿美元,占整个功率半导体市场份额10%。

  随着研发人员对IGBT器件物理的深入理解和微电子工艺的进步,IGBT正向导通时漂移区非平衡载流子浓度分布控制以及关断时快速抽取的所谓“集电极工程”、表面电子浓度增强的“栅工程”、IGBT芯片内含续流二极管功能的逆导型IGBT,以及短路安全工作区和压接式封装等方面不断取得进展,各大公司不时宣布自己研制生产的IGBT进入了第X代。总体而言,可以把IGBT的演变归纳为以下六代。

  第一代CZ(Czochralski,直拉)晶片(异质外延片)平面栅PT型(PunchThough,穿通)型,采用异质双外延在DMOS工艺基础上制得;

  未来IGBT将继续向精细图形、槽栅结构、载流子注入增强和薄片加工工艺发展,其中薄片加工工艺极具挑战(Infineon公司2011年已经展示其8英寸、40m厚的IGBT芯片)。同时,电网等应用的压接式IGBT、更多的集成也是IGBT的发展方向,如从中低功率向高功率发展的RC-IGBT。

  除硅基IGBT外,SiC材料已被用于IGBT的研制,2007年,Purdu大学研制了阻断电压高达20kV的SiCP-IGBT,同年Cree公司也报道了12kV的SiCN-IGBT,美国DARPA高功率电子器件应用计划-HPE的目标之一就是研制10-20kV的SiCIGBT。随着SiC材料生长技术的进一步完善,SiCIGBT将走向实用。

  国内在“八五”科技攻关中即安排了IGBT研发,但长期以来只有样品没有产品,只有IGBT模块生产,没有IGBT芯片国产化。近两年,我国IGBT产业在国家政策及重大项目的推动及市场牵引下得到了迅速发展,呈现出大尺寸FZ单晶材料、IGBT芯片工艺和IGBT模块封装技术全面蓬勃发展的大好局面。天津中环半导体股份有限公司研制的6英寸FZ单晶材料已批量应用,在国家“02”科技重大专项的推动下,8英寸FZ单晶材料已取得重大突破;电磁灶用1200VNPT型IGBT已由多家企业(江苏东光、华润华晶、山东科达等)批量供货,这标志着我国国产IGBT芯片打破了国外一统天下的局面;华润上华和华虹NEC基于6英寸和8英寸的平面型和沟槽型600V、1200V、1700V、2500V和3300VIGBT芯片已研制成功,正进行可靠性考核或部分进入量产;4500V和6500VIGBT芯片研制也在积极推进中;杭州士兰微基于全部自身芯片(IGBT、FRD、高压DriverIC)的IPM模块已研发成功正进入用户考核;封装技术取得重大进展。株洲南车时代电气股份有限公司的IGBT功率模块已在国内地铁及机车上装车运行,产品性能等同于国外产品。株洲南车在建立海外功率半导体研发中心的同时,正在湖南建设大功率IGBT产业化基地,在扩展IGBT模块封装线英寸IGBT芯片生产线。中国北车集团属下的西安永电电气有限责任公司在国家“02”科技重大专项“高压大功率IGBT模块封装技术开发及产业化”项目中研制的6500V/600AIGBT功率模块已成功下线,使企业成为世界第四个、国内第一个能够封装6500V以上电压等级IGBT的厂家。此外,江苏宏微的IGBT模块已成功进入电焊机市场,浙江嘉兴斯达的IGBT模块正积极向国外市场推广。虽然国内IGBT行业近年来取得了重大进展,但我们必须清醒地看到,国内IGBT行业与国外相比还存在巨大差距,主要是芯片生产技术上,在量大面广的400V-600V薄片FS(场阻)结构IGBT芯片生产、高可靠高性能IGBT芯片技术、压接式IGBT功率模块生产技术等领域我们与国际先进水平还有较大差距。

  作为没有肖特基接触和MOS界面的单极器件JFET,由于采用p-n结栅极,避免了SiCMOSFET存在的低反型层沟道迁移率和SiO2层可靠性低的问题。SiCJFET功率开关已成为SiC单极器件的热点研究领域,美国Rutgers大学报道的常关型Ti-VJFET器件的阻断电压已达到11kV,比导通电阻130m.cm2,品质因子930MW/cm2。美国SemiSouth公司已商业推出从650V-1700V的系列SiCJFET产品。

  静电感应晶体管(Staticinductiontransistors,SIT)是一种由pn结栅或肖特基结栅控制的多子导电器件,除了应用在微波功率器件的低频领域(UHF-C波段)外,SiCSIT是市场上第一款SiC功率开关器件。该SiCSIT器件耐压为1200V,导通电阻为12m.cm2。

  GaN材料具有3倍硅的禁带宽度、10倍硅的临界击穿电场和2.5倍硅的饱和漂移速度,特别是基于GaN的AlGaN/GaN结构具有更高的电子迁移率,使得GaN器件具有低导通电阻、高工作频率,能满足下一代电子装备对功率器件更大功率、更高频率、更小体积和更恶劣高温工作的要求。近年来,随着GaN材料在光电器件领域的广泛应用,加速了GaN材料的发展,特别是大直径硅衬底GaN外延生长技术的进步以及逐步商业化,使得GaN具有更低廉的成本价格,有力地促进了GaN功率半导体器件的发展。

  目前,基于GaN的功率开关器件主要包括AlGaN/GaNHEMT(HFET)、GaN基MOSFET和MIS-HEMT等结构。其中,AlGaN/GaNHEMT具有工艺简单、技术成熟、优良的正向导通特性和高的工作频率等优点,成为GaN功率开关器件中最受关注的结构。

  众所周知,基于AlGaN/GaN结构的晶体管是耗尽型(常开型)器件,而具有正阈值电压的增强型(常关型)功率开关器件能够确保功率电子系统的安全性、降低系统成本和复杂性等,是功率系统中的首选器件。因此,对于AlGaN/GaNHEMT器件而言,增强型HEMT器件实现技术也是研究者们极其关注的问题。目前国际上多采用超薄AlGaN层、凹槽栅、P型栅和氟离子注入等方法实现增强型导电沟道。

  目前基于6英寸硅基GaN平台,IR公司和EPC公司分别推出了30V和100V/200V的GaN场效应电力电子器件,600V-900VGaN器件在近期也将推向市场。以欧洲微电子研究中心为代表的研发机构正开展8英寸硅基GaN电力电子器件研究。

  在半导体功率开关器件中,晶闸管是目前具有最高耐压容量与最大电流容量的器件,其最大电流额定值达到10kA,电压额定值可达12kV。ABB公司和株洲南车时代公司已分别在150mm直径的硅片上工业化生产8.5kV/4kA和7.2kV/4.5kA的晶闸管。

  晶闸管改变了整流管“不可控”的整流特性,为方便地调节输出电压提供了条件。但其控制极(门极)仅有控制晶闸管导通的作用,不能使业已导通的晶闸管恢复阻断状态,只有借助将阳极电流减小至维持电流以下或阴、阳极间电压反向来关断晶闸管。在整流电路中,交流电源的负半周自然会关断晶闸管,但在直流电路中,要想关断晶闸管必须设置能给其施加反向电压的换向电路才行,这给应用带来很烦。一种通过门极控制其导通和关断的晶闸管?门极关断晶闸管GTO在这种情况下应运而生并得到发展,目前已有包括日本三菱电机公司、瑞典ABB等多家厂商能在6英寸硅片上生产6kV/6kA,频率1kHz的GTO,研制水平已达8kV/8kA。但GTO仍然有着复杂的门极驱动电路、低耐量的di/dt和dV/dt,小的安全工作区(SafeOperatingAreaSOA),以及在工作时需要一个庞大的吸收(Snubber)电路等缺点。针对GTO的上述缺陷,在充分发挥GTO高压大电流下单芯片工作和低导通损耗特点的基础上,多种MOS栅控制且具有硬关断(HardSwitching)能力的新型大功率半导体器件在上世纪九十年代相继问世并陆续走向市场。所谓硬关断晶闸管即是在关断时能在一个很短的时间内(如1?s)完成全部阳极电流向门(栅)极的转移,此时的晶闸管关断变成了一个pnp晶体管关断模式,因而无需设置庞大、笨重且昂贵的吸收电路。硬关断晶闸管的代表性产品包括瑞典ABB公司研制的集成栅换流晶闸管IGCT、美国硅功率公司提出的MOS关断晶闸管MTO和由美国AlexHuang提出的发射极关断晶闸管ETO。在硬关断晶闸管中,IGCT应用较为广泛。IGCT是集成门极驱动电路和门极换流晶闸管(GCT)的总称,其中GCT部分是在GTO基础上做重大改进而形成,是一种较理想的兆瓦(MW)级中高压半导体开关器件。我国株洲南车时代公司也量产有4.5kV/4kA的IGCT。

  PIC出现于七十年代后期,由于单芯片集成,PIC减少了系统中的元件数、互连数和焊点数,不仅提高了系统的可靠性、稳定性,而且减少了系统的功耗、体积、重量和成本。但由于当时的功率器件主要为双极型晶体管、GTO等,功率器件所需的驱动电流大,驱动和保护电路复杂,PIC的研究并未取得实质性进展。直至八十年代,由MOS栅控制、具有高输入阻抗、低驱动功耗、容易保护等特点的新型MOS类功率器件如功率MOS器件、IGBT等的出现,使得驱动电路简单且容易与功率器件集成,才迅速带动了PIC的发展,但复杂的系统设计和昂贵的工艺成本限制了PIC的应用。进入九十年代后,PIC的设计与工艺水平不断提高,性能价格比不断改进,PIC逐步进入了实用阶段。迄今已有系列PIC产品问世,包括功率MOS智能开关,电源管理电路、半桥或全桥逆变器、两相步进电机驱动器、三相无刷电机驱动器、直流电机单相斩波器、PWM专用PIC、线性集成稳压器、开关集成稳压器等。一些著名国际公司在功率集成技术领域处于领先地位,如德州仪器(TI)、意法半导体(ST)、仙童半导体(Fairchild)、国际整流器(IR)、安森美(On-Semi)、PowerIntegration(PI)等世界著名的半导体公司,它们已将功率集成电路产品系列化、标准化。

  近几年随着移动通信、数字消费电子和计算机等产品制造业的强劲增长,以电压调整器为代表的电源管理集成电路得到迅速发展。有人认为功率集成电路重在高低压兼容的功率集成(PowerIntegration),而电源管理集成电路重在功率管理(PowerManagement),故应独立于功率集成电路之外。笔者认为功率集成电路即是进行功率处理的集成电路,电源管理集成电路应置于功率集成电路的范围之内。

  SOI集成电路具有高速、高集成度、低功耗和抗辐照等优点,SOI技术已成为先进硅集成技术的主流技术之一。由于SOI具有易于隔离的特性,使其在功率半导体技术中也有着广泛的应用前景。日本东芝已利用SOI技术研制成功500V/1A的三相DC无刷马达驱动电路并实现量产,SOI高压集成电路已广泛用于等离子体显示平板(PDP)驱动电路和高性能IGBT大功率模块的栅驱动中。

  BCD(Bipolar-CMOS-DMOS)技术是指将Bipolar模拟电路、CMOS逻辑电路和DMOS基高压功率器件集成在同一块芯片上的工艺集成技术,BCD已成为功率集成电路的主流工艺技术。

  BCD技术的众多特殊要求适应了不同的应用需要,产业发展的现状也证明不存在“通用”的BCD技术规范,按照工艺特点,BCD技术可以分为高压BCD、大功率BCD、高集成度BCD等。高压BCD主要用于PDP等要求高耐压(100V以上)但工作电流不大的领域,大功率BCD主要用于自动控制等要求大电流、中等电压(50V左右)的领域,高集成度BCD则主要用于需要与CMOS非易失性存储电路工艺兼容的领域。根据系统应用电压的不同,也可以将基于BCD工艺的功率集成电路分为三类:100V以下,100V-300V及300V以上。100V以下的产品种类最多,应用最广泛,包括DC-DC转换、LCD显示驱动、背光LED显示驱动、PoE、CAN和LIN等。100V-300V的产品主要是PDP显示驱动和电机驱动等。300V以上的产品主要是半桥/全桥驱动、AC/DC电源转换和高压照明LED驱动等。

  BCD工艺正向高压、高功率、高密度方向发展,2003年意法半导体引入了采用0.18/0.15?m的体硅BCD8工艺;2006年日本Renesas公司报道了0.25?m的SOIBCD工艺;2009年东芝公司推出了60V0.13?m的体硅BCD工艺,可应用于高效DC-DC的电源管理和SoC的单片集成;1200V的BCD技术也已在Fairchild完成。

  除硅基和SOI功率集成技术在不断发展外,GaN功率集成在近两年也受到国际关注。GaN智能功率技术将实现传统硅功率芯片技术所不能达到的工作安全性、工作速度及高温承受能力。2009年香港科技大学率先报道了单片集成功率晶体管和功率整流器的GaNBoost转换器,并在此基础上开发出GaN智能功率集成技术平台雏形。由于GaN电力电子器件可基于硅衬底进行研制,因此异质集成有可能成为GaN功率半导体的研究热点

  在国内,在“02专项”的支持下,HHNEC、华润上华、上海宏力和杭州士兰微等单位开展了40V-600V高压BCD工艺技术研发,较好地支撑了国内功率IC的发展,但与FLASH等存储工艺兼容的高密度BCD工艺平台目前尚属空白。

  在国内,功率半导体器件的作用长期以来没有引起人们足够的重视,国内功率半导体行业处于小、散状态,相较于TI、Infineon已开始在12英寸晶园上生产功率半导体产品,国内目前还没有一家功率半导体IDM企业拥有8英寸生产线。国内大部分功率半导体IDM企业传统上以硅基二极管、三极管和晶闸管为主,国际功率半导体器件的主流产品功率MOS器件和IGBT只是近年才有所涉及。宽禁带半导体器件主要以微波功率器件(SiCMESFET和GaNHEMT)为主,针对市场应用的宽禁带电力电子器件产品研发刚刚起步。目前市场热点的高压BCD集成技术虽然引起了从功率半导体器件IDM厂家到集成电路代工厂的高度关注,但发展水平与国际先进相比仍有较大差距。虽然“02专项”支持了低压BCD工艺和600V硅基/SOI基高压BCD工艺开发,但内嵌FLASH的高密度BCD工艺尚属空白。功率半导体是汽车电子的重要领域,但获得汽车电子产品认证的国内功率半导体生产企业寥寥无几,绝大部分车用功率半导体依赖国外进口。

  但我们必须欣喜地看到,在市场需求的牵引下,在国家政府项目,特别是国家“02”科技重大专项支持引导下,我国功率半导体产业展现出蓬勃发展的局面:国内众多6寸线寸线开始涉足功率半导体器件生产;深圳华为、株洲南车、北车永济、广东美的、国家电网等国内骨干整机(系统)企业开始研发或投资建设以IGBT为代表的先进功率半导体器件;一大批功率半导体领域海外留学人员回国创业。

  笔者认为,功率半导体是最适合中国发展的半导体产业,相对于超大规模集成电路而言,其资金投入较低、产品周期较长、市场关联度更高、且还没有形成如英特尔和三星那样的垄断企业(全球规模化功率半导体企业超过100家,前10大功率半导体企业销售额只占全球份额的50%)。但中国功率半导体的发展必须改变目前封装强于芯片、芯片强于设计的局面,应加强与整机企业的联动,大力发展设计技术,以市场带动设计、以设计促进芯片、以芯片壮大产业。

  功率半导体芯片不同于以数字集成电路为基础的超大规模集成电路,功率半导体芯片属于模拟器件的范畴。功率器件和功率集成电路的设计与工艺制造密切相关,因此国际上著名的功率器件和功率集成电路提供商均属于IDM企业。国内功率半导体企业(包括代工企业)在提升工艺水平的同时,应加强与系统厂商的合作,不断提高国内功率半导体技术的创新力度和产品性能,以满足高端市场的需求,促进功率半导体市场的健康发展。

  设计弱于芯片的局面起源于设计力量的薄弱。企业应加强技术人才的培养与引进,积极开展产学研协作,以雄厚的技术实力支撑企业的发展。

  

  我国功率半导体行业的发展最终还应依靠功率半导体IDM企业,在目前自身生产条件落后于国际先进水平的状况下,IDM企业不能局限于自身产品线的生产能力,应充分依托国内功率半导体器件庞大的市场空间,用技术去开拓市场,逐渐从替代产品向产品创新、牵引整机发展转变;大力发展设计能力,一方面依靠自身工艺线进行生产,加强技术改造和具有自身工艺特色的产品创新,另一方面借用先进代工线的生产能力,壮大自身产品线,加速企业发展;同时择机从芯片向器件,从芯片向模块,从模块向组件、整机发展。

  从国际知名功率半导体企业,特别是功率半导体模块企业分析,有着系统整机应用的IDM企业具有得天独厚的发展机会,因此我们期望更多的系统整机企业向株洲南车那样,面向国际竞争,完善核心技术产业链,进而推动中国功率半导体产业发展。

  功率半导体将依然保持可持续进口替代空间 但仍需要半导体产业人更多的付出与努力

  2018年湖南电子信息制造业实现主营业务收入2169.9亿元 功率半导体与高端芯片研发设计成绩亮眼

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