IGBT走虚拟IDM之路：设计与加工是分离还是统一？

　　电子科技大学微电子与固体电子学院教授、副院长 张波

　　目前我国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，呈现出大尺寸区溶（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。

　　我国IGBT成就显著

　　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1200V NPT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；基于6英寸和8英寸的平面型和沟槽型1700V、2500V和3300V IGBT芯片已研制出样品，正进行可靠性考核，4500V和6500V IGBT芯片研制也在积极推进中；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试运营，产品性能等同于国外产品，同时8英寸IGBT芯片生产线也在建设中。中国北车集团属下的西安永电电气有限责任公司生产的6500V/600A IGBT功率模块已成功下线，使其成为全球第四个、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。材料、设计、工艺和封装是IGBT最重要的，其中最为核心的是设计和工艺。目前国内还需在可靠性设计和工艺上、特别是与成本和性能密切相关的薄片工艺上努力探索。

　　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行业与国外还存在巨大差距。差距主要是在芯片生产技术方面，我们在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与国际先进水平还差之甚远。

　　应积极发展宽禁带器件

　　IGBT是中高功率应用的主流，从2010年世界功率半导体市场份额可以明显看出，IGBT以超过50%的增长率高居功率半导体领域之首，并创记录地达到32亿美元的销售额。2010年日本罗姆公司宣布量产SiC功率MOSFET，美国Cree公司随后也宣布量产1200V SiC功率MOSFET。虽然SiC功率MOSFET性能较硅基IGBT更优，但高昂的价格使其在较长时期内难以取代IGBT。我们期待SiC MOSFET首先在汽车电子、工业应用等有较大应用市场而又对价格不太敏感的领域取得突破，从而进一步带动SiC电力电子器件的发展。基于硅基衬底的GaN功率半导体器件是我看好的发展方向，但目前其主要问题是长期可靠性难以实现。SiC电力电子器件在中高功率、GaN电力电子在1200V以下的中低功率和多功能集成领域具有发展优势。

　　在此本人大力呼吁，虽然以SiC（碳化硅）及GaN（氮化镓）为代表的宽禁带电力电子技术目前还处于发展初期，但我们必须高度重视，应积极发展宽禁带电力电子器件，否则我们将持续落后。

　　设计和加工紧密结合

　　目前国际IGBT的发展主流是8英寸芯片生产线。在国家2009年立项的“02”科技重大专项IGBT芯片项目中也明确要求发展8英寸IGBT芯片生产线，并且以市场占有率为考核指标。目前华虹NEC等8英寸生产线在IGBT研制中正取得重大进展。但我国还需要在量大面广的400V～600V薄片FS（场阻）结构IGBT芯片生产和高可靠高性能IGBT芯片技术等领域加大投入和攻关力度。总之，市场占有率才是根本。

　　IGBT的发展趋势可以归纳为薄片、场阻型（FS）、更小元胞的沟槽栅单元（Cell）、以载流子注入增强和载流子存储层为代表的载流子分布优化技术、以逆导（RC）型IGBT为代表的集成技术。国际主流IGBT生产企业均是IDM企业，并朝8英寸生产线发展。IGBT的特点是系统应用、器件设计和工艺加工密切结合。国内功率半导体IDM企业的生产能力有限，先进的工艺在制造厂那边，而绝大部分系统厂家还没有能力独立发展功率半导体芯片生产线。因此目前国内发展IGBT应以先进工艺为基础，走“虚拟IDM”方式，充分结合终端用户，走产学研发展之路，发挥市场优势，走出中国特色，在此基础上进行整合，使我国最终发展成为全球功率半导体的研发生产大国。