关于IGBT - 专家谈功率半导体的未来发展趋势

　　3.IGBT

　　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；

　　第二代—CZ晶片（异质外延片）精细结构平面栅PT型；

　　第三代—CZ晶片（异质外延片）槽栅（TrenchGate）PT型；

　　第四代—FZ（Float-Zone，区熔）晶片平面栅NPT（NonPunchThough，非穿通）型；

　　第五代—FZ晶片槽栅电场截止（FieldStop：FS或弱穿通LightPunch-Through：LPT）型，包含CSTBC（CarrierStoredTrenchgateBipolarTransistor）结构，同时也包括逆导（ReverseConducting：RC）、逆阻（ReverseBlocking：RB）型结构IGBT。

　　第六代—第五代基础上有更薄的硅片，更精细的元胞结构。

　　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模块封装线的基础上，建设8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。

　　4.SiCJFET、SiCSIT及硅基GaN开关器件

　　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。

　　（三）晶闸管类器件

　　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，这给应用带来很大麻烦。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（SafeOperatingArea—SOA），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。

　　（四）功率集成电路

　　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。

　　四、我国功率半导体产业发展建议

　　国际著名市场调研公司HISISuppliResearch公司2012年9月给出的全球前10大功率半导体供应商是TI、ST、Infineon、Mitsubishi、Renesas、Toshiba、Maxim、Fairchild、IR和ONSemi，而据IMSResearch公司2012年6月给出的报告，全球前10大功率半导体分立器件和模块供应商是Infineon、Mitsubishi、Toshiba、ST、IR、FujiElectric、Fairchild、Vishay、Renesas和Semikron。这些供应商均是大型IDM企业，同时我们注意到，全球前三大功率半导体分立器件和模块供应商均（或曾）属于整机企业。

　　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、8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。