本文根據(jù)電子科技大學(xué)張波教授《功率半導(dǎo)體技術(shù)》公開課聽寫整理而成，對(duì)IGBT等器件,、GaN等材料及BCD工藝進(jìn)行了詳細(xì)闡述,。了解更多半導(dǎo)體及半導(dǎo)體封裝相關(guān)內(nèi)容，敬請(qǐng)關(guān)注本周六晚八點(diǎn)CEIA天空沙龍直播課,，中美頂尖專家震撼開講,，不容錯(cuò)過！

大家好,，下面由我來(lái)介紹節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù),，功率半導(dǎo)體技術(shù)。本節(jié)課分為以下三個(gè)方面的內(nèi)容,，第一方面是功率半導(dǎo)體器件的定義,，第二部分功率半導(dǎo)體的技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì),，第三部分是我們國(guó)家功率半導(dǎo)體的情況,。

首先我們來(lái)看什么是功率半導(dǎo)體？功率半導(dǎo)體我們可以定義成進(jìn)行功率管理的半導(dǎo)體器件。那么何為功率管理,？包括功率的放大,、電能的管理、電壓的變化也就是升壓和降壓,，電流的變化和頻率的變化,。功率半導(dǎo)體器件包括功率二極管、功率晶體管和功率集成電路,。目前功率半導(dǎo)體的技術(shù)已經(jīng)從分立器件,、集成電路向系統(tǒng)應(yīng)用在發(fā)展，PMU已經(jīng)廣泛應(yīng)用到SOC里面,，在我們可預(yù)見的將來(lái),，電能一直是人類消耗的最大能源。

無(wú)論是我們用的手機(jī),、電視機(jī),、洗衣機(jī)、冰箱,，或者是你乘坐的高鐵,，都離不開電能。以冰箱為例,，現(xiàn)在的冰箱最好的冰箱是變頻冰箱,，為什么是變頻冰箱？因?yàn)閴嚎s機(jī)的控制不是傳統(tǒng)的0和1的開和關(guān),，而是根據(jù)溫度的變化進(jìn)行變速的調(diào)節(jié),，這樣就可以使得溫度的范圍控制得更加精確，噪音變得很小,，讓人體感覺更加舒適,。變頻冰箱的核心就是變頻電機(jī)，變頻電機(jī)就是靠開關(guān)電源來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的,。

那么我們開關(guān)電源的核心就是我們后面要講到的我們的功率半導(dǎo)體器件IGBT,，以列車來(lái)舉例，我們都知道瓦特發(fā)明的是蒸汽機(jī),，通過燒煤,、靠蒸汽來(lái)驅(qū)動(dòng)火車的運(yùn)行，現(xiàn)在是高鐵,，高速列車是電力機(jī)車,，每一節(jié)高速列車車廂都要100個(gè)左右的IGBT模塊來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。飛機(jī)原來(lái)是耗燃油,，現(xiàn)在飛機(jī)的一個(gè)發(fā)展方向是多電飛機(jī)MEA,。從船來(lái)講,，也是全電船也是艦船的發(fā)展方向。因此我們可以看到這些東西都是越來(lái)越依賴于功率半導(dǎo)體器件,。

根據(jù)國(guó)際能源署的統(tǒng)計(jì),，在2009年到2030年間，全球電能的消耗量將翻倍,，這樣的增加不僅是在發(fā)達(dá)國(guó)家,，并且也是在發(fā)展中國(guó)家。無(wú)論是水電,、核電,、熱電、風(fēng)電或者是我們手機(jī)用的化學(xué)電池,，絕大部分電池不可能直接給用戶使用,，因?yàn)樵O(shè)備不可能直接用這種電能，75%以上的電能必須經(jīng)過功率半導(dǎo)體進(jìn)行變換以后,，才能夠給用戶使用,，才能夠供設(shè)備使用。有人說(shuō),，我手機(jī)用的電池不是直接可以用到我的手機(jī)里面嗎,？對(duì)吧，但是我們都知道,，電池的電量是要發(fā)生變化的,，對(duì)我們?cè)骷碾妷旱淖兓瘉?lái)講是要精確的，這邊也必須要用到我們的功率管理的一個(gè)單元,。

這樣變化的一個(gè)目的,、用功率半導(dǎo)體從粗電到精電變化的目的，就是高效,、節(jié)能,、環(huán)保和方便,，這是我們整個(gè)功率半導(dǎo)體它的目的,。

從功率半導(dǎo)體的發(fā)展歷程來(lái)講，傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體主要包括功率二極管,、功率晶體管,、晶閘管這樣三類器件。傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體主要是工業(yè)應(yīng)用這樣一個(gè)領(lǐng)域,。

從上世紀(jì)80年代,，利用超大規(guī)模集成電路的工藝、功率MOSFET走入市場(chǎng)以來(lái),，整個(gè)功率半導(dǎo)體的器件走進(jìn)現(xiàn)代功率半導(dǎo)體新的時(shí)代?，F(xiàn)在功率MOS器件,，絕緣柵雙極型晶體管IGBT、集成換流柵晶閘管IGCT以及功率IC得到了迅速的發(fā)展,。

也正是由于現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展,，使得功率半導(dǎo)體的應(yīng)用范圍得到了迅速的擴(kuò)大。從傳統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用向4C（Communication,、Computer,、Consumer和Car，就是我們講通信,、計(jì)算機(jī),、消費(fèi)類電子和汽車電子4C等領(lǐng)域來(lái)進(jìn)行擴(kuò)展。并且目前功率半導(dǎo)體的熱點(diǎn)和新的發(fā)展方向,，包括新能源,、光伏發(fā)電、風(fēng)電,、軌道交通,，剛才我們講的，高鐵或者是重載的列車牽引等等,，以及EV,、HEV就是純動(dòng)力和混合動(dòng)力汽車和智能電網(wǎng)，這些是我們現(xiàn)在功率半導(dǎo)體新的一個(gè)發(fā)展的熱點(diǎn),。

如果把CPU,、DSP和Memory存儲(chǔ)器當(dāng)成人的大腦來(lái)看的話，那么我們的功率半導(dǎo)體就相當(dāng)于是人類的心臟和肌肉,，它是給我們的系統(tǒng)提供電能和強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力,。

我們來(lái)看看功率半導(dǎo)體在整個(gè)半導(dǎo)體市場(chǎng)到底有多大的一個(gè)份額。根據(jù)國(guó)際權(quán)威數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì),，在2011年整個(gè)功率半導(dǎo)體占據(jù)了310.8億美元的市場(chǎng),，到2013年，達(dá)到了322億美元,，到2016年將達(dá)到387億美元,。我們知道全球半導(dǎo)體領(lǐng)域，在2013年大概是3000億美元的市場(chǎng)份額,，功率半導(dǎo)體在整個(gè)半導(dǎo)體的市場(chǎng)里面占據(jù)了大約11%的份額,，肯定來(lái)講集成電路是主流，相當(dāng)于一個(gè)人來(lái)講,，像英國(guó)偉大的一個(gè)科學(xué)家霍金,，他肌肉萎縮了，被禁錮在輪椅上不能動(dòng),，他的大腦對(duì)人類的貢獻(xiàn)使他仍然成為有史以來(lái)最偉大的科學(xué)家,。

因此我們雖然講我們功率半導(dǎo)體是非常非常重要的,，但是并不是說(shuō)它就是最重要的了，它一定是跟別的一個(gè)器件,，包括集成電路,、傳感器等等來(lái)整個(gè)來(lái)構(gòu)成儀器設(shè)備的整體。由于節(jié)能環(huán)保不斷發(fā)展的要求,，得到人類的重視,。然后功率半導(dǎo)體的發(fā)展現(xiàn)在是越來(lái)越快。

據(jù)國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì),，到2020年,，全球功率半導(dǎo)體的市場(chǎng)份額將達(dá)到650億美元。

下面來(lái)看第二部分,，功率半導(dǎo)體技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì),。首先我們來(lái)看功率半導(dǎo)體的分類，我們把功率半導(dǎo)體分成兩類,，一類是功率半導(dǎo)體的分立器件,，一類是功率集成電路。功率集成電路里面根據(jù)功率半導(dǎo)體的定義,，我們也把電源管理集成電路這是很大的一類,，也在功率集成電路的范疇之內(nèi)。

功率分立器件主要包括這樣三部分,，一個(gè)是功率整流器和功率二極管,，一個(gè)是功率晶體管，還有一個(gè)是晶閘管,。

這里是我們整個(gè)功率半導(dǎo)體的市場(chǎng)份額,。從這個(gè)市場(chǎng)份額里面我們可以看到，晶閘管占據(jù)了功率半導(dǎo)體2%的市場(chǎng)份額,，雙極型晶體管占據(jù)了5%的市場(chǎng)份額,，二極管占據(jù)了9%，IGBT占據(jù)了10%,單個(gè)最大的是功率MOS器件,，占據(jù)了21%,，另外還有半壁江山就是功率集成電路，占據(jù)了全球功率半導(dǎo)體53%的市場(chǎng)份額,。

下面我們分別來(lái)看,，第一個(gè)晶閘管,，剛才我們講到,，雖然晶閘管只占據(jù)了我們?nèi)蚬β拾雽?dǎo)體2%的市場(chǎng)份額，但是功率晶閘管是整個(gè)功率半導(dǎo)體器件中,，電壓最高,、電流容量最大的器件,，單個(gè)晶閘管擊穿電壓可以達(dá)到了12000V，單個(gè)器件的電流可以達(dá)到1萬(wàn)安,。

晶閘管的發(fā)展歷程是從半控,、全控和低壓控制的過程發(fā)展，最早的晶閘管我們通常稱為叫可控硅,，這種器件我們稱為叫不可控器件,，或者稱為叫半控器件，柵信號(hào)只能控制它的開啟,，不能控制它的關(guān)斷,，因此我們稱為叫半控或者叫不可控器件。這類器件主要用在交流上,，通過強(qiáng)迫的換流來(lái)使器件關(guān)斷,，在80年代，從可控硅發(fā)展到GTO,，GTO我們稱為叫柵可關(guān)斷的晶閘管,，就是說(shuō)柵可以關(guān)斷它了。

通過柵電流的輸入開啟它,，柵電流的抽出關(guān)斷它,，但這類器件仍然是電流控制器件。在集成電路中提供一個(gè)電壓的level是非常容易的,，但要提供一個(gè)大電流是很難的,，理想的器件，我們希望是電場(chǎng)控制的器件,，或者是壓控器件,。因此在上世紀(jì)90年代中后期，從歐洲開始就推出了一種,我們稱為集成換流柵晶閘管IGCT,這種器件的典型代表是瑞典的ABB和日本的三菱公司,。我們國(guó)家的株洲南車在這個(gè)領(lǐng)域里面也做了很多工作,。

第二類是功率雙極型晶體管，這類器件曾經(jīng)是我們功率半導(dǎo)體器件的主流器件,，從20世紀(jì)50年代開始,，從鍺管到硅管，一直到20世紀(jì)80年代得到了迅速發(fā)展,。但20世紀(jì)80年代以后基本上就成熟了,，因此它的市場(chǎng)份額不斷被功率MOS器件和IGBT所取代，現(xiàn)在大概只占5%左右的市場(chǎng)份額,。但是雙極型晶體管由于它結(jié)構(gòu)的特殊性,，現(xiàn)在是在另一類叫SiC寬禁帶半導(dǎo)體里得到了迅速發(fā)展，包括Fairchild,、美國(guó)的JDsenk等,，都推出了SiC雙極型晶體管的器件,。

第三類，就是在市場(chǎng)份額里面只占據(jù)了9%的二極管,。二極管我們都知道,，在高中物理學(xué)過，是非常簡(jiǎn)單的一類器件,，但是這類器件是非常重要的,，是功率電子學(xué)里面必不可少的器件。

傳統(tǒng)市場(chǎng)上的功率二極管主要包括兩類,，一類稱為功率PIN二極管,，一類稱為功率肖特基勢(shì)壘二極管，這兩類各有其優(yōu)缺點(diǎn),。PIN二極管稱為雙極載流子器件,，也就是說(shuō)兩種載流子，電子和空穴同時(shí)參與導(dǎo)電,，這樣的器件有高壓大電流的特性,，這是它的好處。但是高壓大電流的特性是由它的雙極載流子的輸運(yùn)特性獲得的,。

雙極載流子輸運(yùn)特性是雙刃劍,，導(dǎo)通的時(shí)候可以使得器件的導(dǎo)通損耗迅速地降低，但關(guān)斷的時(shí)候必須要把這些過剩的載流子抽走,，就使得PIN二極管在高頻工作中受到了限制,，它有個(gè)反向恢復(fù)特性，限制了我們整個(gè)功率電子裝置往高頻發(fā)展,。

另外一類是功率肖特基勢(shì)壘二極管,，這類器件是多數(shù)載流子器件，開關(guān)頻率可以做得很高,，但是多數(shù)載流子器件使得電壓做不高,，一般來(lái)講都是200V以下，并且肖特基勢(shì)壘結(jié),。

從半導(dǎo)體物理可以知道,，它是種熱電子發(fā)射器件，也就是說(shuō)它的溫度特性不行,，它的擊穿特性是軟的,，也限制了它在高壓器件的應(yīng)用和在一些需要低漏電的應(yīng)用，為了滿足整個(gè)功率電子系統(tǒng)向高頻,、向高效發(fā)展,，從二極管來(lái)講，主要從兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行變化，來(lái)進(jìn)行發(fā)展,。一種是采用新的機(jī)理、新的結(jié)構(gòu),，還是利用傳統(tǒng)硅的工藝來(lái)做,，但是采用新的機(jī)理和新的結(jié)構(gòu)。

另外一類則采用新的材料,，因?yàn)槲覀兌贾?，一代材料、一代器件,、一代系統(tǒng),，這樣一種發(fā)展，新的機(jī)理和新的結(jié)構(gòu)我們把它歸納成兩類,，都是一個(gè)根本點(diǎn),，要依賴于超大規(guī)模集成電路的工藝，通過借用超大規(guī)模集成電路工藝來(lái)改善二極管的特性,。一類融合了PIN二極管和肖特基勢(shì)壘二極管各自的優(yōu)點(diǎn),，形成包括JBS、MPS,、TMPS,、TMBS、QSpeed等一系列新型的功率二極管,。

舉個(gè)例子,，這是美國(guó)Vishay公司推出的TMBS結(jié)構(gòu)，從陽(yáng)極結(jié)構(gòu)里面可以看到,，它完全顛覆了傳統(tǒng)PIN的概念,，它有了圖形，完全不是PIN二極管的P+向i區(qū)的大量的注入,，通過圖形進(jìn)行控制?，F(xiàn)在呢從45V到200V，Vishay已經(jīng)推出了系列的產(chǎn)品,。

另外一類,，它是通過優(yōu)化載流子的輸入和抽出，優(yōu)化PIN二極管載流子的濃度分布,，傳統(tǒng)的PIN二極管稱為粗放型,，陽(yáng)極向漂移區(qū)的注入是不加控制的，這樣就導(dǎo)致了 它的特性不是很優(yōu)化,。因此,，通過優(yōu)化載流子的注入跟抽出，來(lái)形成系列的結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)被廣泛用在了比如IGBT這樣的束流里面,。這類器件的典型代表包括,，比如說(shuō)英飛凌的EmCon、富士電機(jī)的SAS FWD,、ABB的SPT+等這樣的系列結(jié)構(gòu),。

這就是富士電機(jī)的淺陽(yáng)極結(jié)的二極管的結(jié)構(gòu)圖。我們可以看到,，它的陽(yáng)極有圖形,，陽(yáng)極的載流子注入的時(shí)候，通過一個(gè)淺陽(yáng)極結(jié),，控制載流子的注入效率,。

下面我們介紹功率半導(dǎo)體里面單個(gè)來(lái)講最大的一類器件，就是功率MOSFET,，那么我們從圖中可以看到,，功率MOSFET占據(jù)了功率半導(dǎo)體21%的市場(chǎng)份額。

根據(jù)國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì),，功率MOSFET大概的市場(chǎng)份額是在65億美元,。

這是功率MOS器件的結(jié)構(gòu)圖。我們都學(xué)過MOSFET的結(jié)構(gòu),，MOSFET的結(jié)構(gòu)里面跟我們講的功率MOS的結(jié)構(gòu)有什么差異呢,？MOSFET的結(jié)構(gòu)，它的源極跟漏極都做在表面,，這個(gè)MOS的結(jié)構(gòu),，它的漏極做在下面。MOS器件是集成電路基本單元,。無(wú)論講CMOS,、一個(gè)NMOS、PMOS都是由MOS構(gòu)成的,，傳統(tǒng)的MOS,，柵、源,、漏都是在表面,，通過柵的溝道反型來(lái)連通源和漏。

但是在我們的功率MOS器件里,，漏是在它的下端,，垂直結(jié)構(gòu)，這樣的好處就是可以充分利用硅片的面積,，使器件具有高壓大電流的特性,。功率MOS器件為什么能夠成為全球最大的,、單一的功率半導(dǎo)體器件呢？因?yàn)樗哂须妷嚎刂?、大的安全工作區(qū),、可以高頻工作、頻率可以高到GHz上,，并且它是負(fù)溫度系數(shù),，可以多個(gè)并聯(lián)在一起工作，由于這樣的優(yōu)勢(shì),，使功率MOS器件得到了迅速發(fā)展,。

現(xiàn)在功率MOS器件有三種結(jié)構(gòu),，一種叫VDMOS,，或者稱為平面功率MOS器件，一種叫槽柵MOS器件,，還有一種是現(xiàn)在迅速發(fā)展的,，稱作超級(jí)結(jié)（Super Junction）功率MOS器件，下面分別簡(jiǎn)單地給大家做一個(gè)介紹,。

VDMOS稱為垂直雙擴(kuò)散功率MOS器件,，這是功率MOS器件早期到現(xiàn)在廣泛被應(yīng)用的，不同的廠家從4到9張板不等,，根據(jù)器件的應(yīng)用的設(shè)計(jì)來(lái)考慮,。

在低壓功率MOS器件里面，廣泛應(yīng)用的就是槽柵功率MOS器件,，這種功率MOS器件的一個(gè)好處,。就是可以把溝道的密度做得很大，就是說(shuō),，在同樣的面積下,，可以做更多的單元，功率MOSFET都是靠多個(gè)單元并聯(lián)工作,，來(lái)降低器件的導(dǎo)通損耗,，那么溝道的密度提升，有助于它降低器件的導(dǎo)通損耗,。

但是低壓功率MOS器件是我們用得最多的,，我們的手機(jī)、電腦都大量在應(yīng)用,，主要用在DCDC,，電壓的一個(gè)變換里面。那么在DCDC電壓變換的時(shí)候,，這時(shí)候關(guān)注的不僅僅是器件的導(dǎo)通損耗,，還關(guān)注器件的開關(guān)損耗,，也就是說(shuō)關(guān)注器件的柵電容和柵電荷，而Trench MOSFET呢,，由于溝道密度的提升,，使得它的柵電容和柵電荷增加，那么怎么來(lái)進(jìn)行優(yōu)化呢,，器件的一個(gè)優(yōu)值,，就是從傳統(tǒng)的只考慮器件的導(dǎo)通電阻RON變成了，要關(guān)心器件的柵電荷和導(dǎo)通電阻,，因此它的優(yōu)值就變成了RON乘以QG,，導(dǎo)通電阻乘上柵電荷。

為了改善器件的優(yōu)值,，許多新的結(jié)構(gòu)被提出,，比如說(shuō)Narrow Trench就把Trench做得很窄，來(lái)降低柵電容,，還有這一種厚底部氧化層的槽柵結(jié)構(gòu),，還有W型的槽柵結(jié)構(gòu)都被廣泛應(yīng)用。那么最近呢,，另外一種新的結(jié)構(gòu)被提出,，大大地改善了器件的優(yōu)值，稱為分離柵或者叫屏蔽柵的結(jié)構(gòu),。就把整個(gè)的Trench柵分成兩部分,，下面的部分和源極相接，來(lái)屏蔽整個(gè)柵電荷的影響,。2007年美國(guó)的TI用了LDMOS就是橫向MOS器件的高頻特性,，利用了電荷平衡的特性，推出了NexFET器件,，這種器件也得到了比較好的應(yīng)用,，在2010年日本的瑞薩和歐洲的NXP把超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)用在低壓器件里面，也獲得了一個(gè)很好的優(yōu)值,。

這張圖是西門子給出來(lái)的,，當(dāng)年的西門子半導(dǎo)體，現(xiàn)在的英飛凌在1998年的時(shí)候,，推出來(lái)一種稱為CoolMOS的這樣一種結(jié)構(gòu),，這種結(jié)構(gòu)就是基于超級(jí)結(jié)的結(jié)構(gòu)，也就是整個(gè)漂移區(qū),，不再是原來(lái)傳統(tǒng)的單一導(dǎo)電類型的漂移區(qū),，而是通過N+ P+N+P+這種相互交疊的結(jié)構(gòu)，我們稱為超級(jí)結(jié)的一種結(jié)構(gòu),，來(lái)形成了新型的功率MOS器件,。這種器件推出來(lái)的時(shí)候,，同樣一個(gè)600V的器件，它的導(dǎo)通電阻就比傳統(tǒng)的降低了5倍,，這一推出就引起了世界的轟動(dòng),，被譽(yù)為是功率MOS器件里程碑的結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)跟我們電子科大有密切的關(guān)系,，這種結(jié)構(gòu)的三個(gè)專利之一,，國(guó)際公認(rèn)的其中一個(gè)專利就是我們陳星弼院士的專利。

這樣的器件現(xiàn)在有兩種制造方法,，第一種就是最早英飛凌采用的多次外延的一種辦法,，外延、注入,、外延,、注入這種循環(huán)，做4到6次,，來(lái)形成超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu),。

另外一種方法,，就是東芝在2005年推出的稱為DeepTrench的一種辦法,，通過刻槽、填充,、注入這樣的一種辦法,，來(lái)形成超級(jí)結(jié)的結(jié)構(gòu)，我們通過跟華虹NEC合作,，在2010年也在國(guó)內(nèi)第一次研制出了超級(jí)結(jié)器件的商品化器件,，這樣的平臺(tái) 是我們跟華虹合作的，是全球第一家8寸的超級(jí)結(jié)的代工平臺(tái),。

目前全球已有二十幾家企業(yè),，在這個(gè)平臺(tái)上在生產(chǎn)產(chǎn)品，超級(jí)結(jié)由于低的導(dǎo)通損耗,，那么這種器件現(xiàn)在得到了廣泛的應(yīng)用,，并且呢，預(yù)測(cè)它的發(fā)展趨勢(shì)是非?？斓?，是以13%的增長(zhǎng)率在增長(zhǎng)，在2016年,，超級(jí)結(jié)器件將占據(jù)八億九千萬(wàn)美元的市場(chǎng)份額,。

這里我們給出了整個(gè)功率MOS器件的發(fā)展示意圖。從最早的平面柵器件到槽柵器件,，來(lái)降低器件的導(dǎo)通損耗,，從單一地只是降低器件的導(dǎo)通損耗,，到同時(shí)降低器件的導(dǎo)通損耗和柵電荷。

那么,，進(jìn)一步地發(fā)展呢,，也許還有新的材料 比如說(shuō)氮化鎵等等，除了器件結(jié)構(gòu)的改善以外,，工藝上也在不斷地去改善功率MOS器件的特性,。

這是2011年全球第一個(gè)用12寸晶圓來(lái)制造的功率MOSFET，這是英飛凌在奧地利采用的,，同時(shí),，從功率MOS的厚度來(lái)講也在不斷地降低，傳統(tǒng)是需要200μm功率MOSFET硅片的厚度,。那么現(xiàn)在呢,，最小可以降低到兩個(gè)mil也就是說(shuō)40到50個(gè)μ。同時(shí)呢,，從封裝技術(shù)來(lái)講,，也在不斷地改進(jìn)，不斷完善整個(gè)功率MOS器件的特性,。

下面我們來(lái)看另一類功率半導(dǎo)體器件,，這一類現(xiàn)在是發(fā)展得非常迅速的一類，稱為絕緣柵雙極型晶體管 IGBT,。

這是2011年9月27號(hào),，美國(guó)的奧巴馬總統(tǒng)向北卡州立大學(xué)的Baliga頒發(fā)了美國(guó)的技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)，當(dāng)年的技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)只有5個(gè),，頒發(fā)給Baliga,，是因?yàn)锽aliga當(dāng)年在GE作為R&D的Director的時(shí)候，他當(dāng)時(shí)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對(duì)IGBT的商業(yè)化發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn),。由此我們可以看到,，這樣一類器件的重要性，一個(gè)無(wú)關(guān)輕重的器件,，它是不可能獲得美國(guó)的技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)的,，這是美國(guó)的情況。

我們來(lái)看中國(guó),，2009年6月,，時(shí)任總理溫家寶到株洲南車去參觀的時(shí)候，專門指示要勇克IGBT這樣的國(guó)家核心關(guān)鍵技術(shù),，為什么,？因?yàn)槲覀兊膭?dòng)車大量地需要IGBT，如果我們?nèi)恳蕾噰?guó)外的進(jìn)口,，一旦國(guó)外卡我們,，所有高鐵將趴窩,，因此我們必須要發(fā)展自己的IGBT。2013年9月,，副總理馬凱去杭州士蘭微調(diào)研的時(shí)候,，問杭州士蘭微的董事長(zhǎng)陳向東先生，你們的IGBT現(xiàn)在做得怎么樣了,？也就是說(shuō),，現(xiàn)在IGBT能夠進(jìn)入國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人的思考，就說(shuō)明IGBT是非常重要的一種核心器件,，因?yàn)镮GBT的應(yīng)用范圍非常之廣泛,。

從UPS到風(fēng)電、到光伏發(fā)電,，到軌道交通,，到我們?nèi)粘５南M(fèi)類，也就是說(shuō)變頻家電,，以及純電動(dòng)或混合動(dòng)力汽車,、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、工業(yè)控制等,，都是我們IGBT的應(yīng)用領(lǐng)域,，IGBT現(xiàn)在的產(chǎn)品，從370V一直到6500V,，這樣的一個(gè)系列的產(chǎn)品,，涵蓋的范圍非常廣泛,，IGBT是一個(gè)非常重要的器件,。

它的發(fā)展來(lái)講，在20世紀(jì)80年代,，早期的功率半導(dǎo)體器件,，雙極型晶體管。它的功耗如果以百來(lái)看的話,，在1985年首先推出第一代IGBT,，它的功耗降到了70，到現(xiàn)在第六代IGBT,，它的功耗只有了24,，功耗在不斷地降低，靠的是什么,？靠的是技術(shù)的進(jìn)步,。

那么IGBT主要從三個(gè)方面在不斷地發(fā)展，一種稱為襯底工程,，就是說(shuō)從穿通型向非穿通型,，像現(xiàn)在的場(chǎng)阻IGBT叫Field Stop進(jìn)行發(fā)展,。另外一類呢，就是Ｇａｔｅ柵工程,，從平面柵向Trench柵,，并且是越來(lái)越細(xì)的線寬。第三部分,，就是載流子的優(yōu)化工程,，整個(gè)漂移區(qū)的載流子濃度來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，比較先進(jìn)的一種辦法,，采用的是載流子注入增強(qiáng)效應(yīng),。

從后邊結(jié)構(gòu)里面，可以看出,，使得整個(gè)IGBT的厚度大大降低,，它的導(dǎo)通損耗大大降低，采用這樣的一個(gè)場(chǎng)阻層,，使得IGBT漂移區(qū)厚度降低了,。

那么帶來(lái)的一個(gè)挑戰(zhàn)就是薄片工藝，要在已經(jīng)失去了機(jī)械支撐能力的薄片上,，還要進(jìn)行背面的一個(gè)注入,，這就是對(duì)工藝的一個(gè)挑戰(zhàn)。

在2011年功率半導(dǎo)體的奧林匹克會(huì)議ISPSD（國(guó)際功率半導(dǎo)體器件和功率集成電路年會(huì)）上,，英飛凌采用8寸硅片做的IGBT,，已經(jīng)到達(dá)了40個(gè)μ，做得非常薄,。

這是三菱的第五代跟第六代的IGBT結(jié)構(gòu)圖,，從這個(gè)圖里面我們就可以看到，許多先進(jìn)的工藝已經(jīng)被用到了現(xiàn)在IGBT的產(chǎn)品里面,，包括它的CS載流子層出層結(jié)構(gòu),，這就是用了載流子濃度的一個(gè)優(yōu)化，更細(xì)的線寬,，虛擬的槽柵,，這實(shí)際上就是載流子注入增強(qiáng)效應(yīng)的應(yīng)用和場(chǎng)阻結(jié)構(gòu)等等。許多新的技術(shù)已經(jīng)用到了我們IGBT的產(chǎn)品里面,，使得IGBT的性能得到了不斷的改善,。

前面我們講了晶閘管，雙極型晶體管,，二極管,，MOSFET，IGBT，這些是用硅器件來(lái)進(jìn)行制造的,，那么人們就在想,，下一個(gè)功率半導(dǎo)體器件往什么方向發(fā)展呢？是不是下一代該進(jìn)入SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）這樣的時(shí)代了,？為什么要這樣講呢,？

我們來(lái)看看，這是全球前20家功率半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家,，他們是不是在關(guān)注這樣兩個(gè)新的器件,，全球前20家功率半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商中１9家都在開展SiC或者是GaN，或者同時(shí)在開展SiC和GaN的研發(fā),。

為什么人們這樣關(guān)注SiC和GaN器件呢,？這是因?yàn)镾iC和GaN是寬禁帶半導(dǎo)體的一個(gè)典型代表。我們都知道,，Si的禁帶寬度是1.12eV,，SiC和GaN呢。分別可以達(dá)到3.26和3.39個(gè)eV,，我們稱為寬禁帶,，這樣兩類器件。

禁帶寬度寬的一個(gè)好處,，就是說(shuō)它可以耐高溫,，因?yàn)閮r(jià)帶的電子不容易躍遷到導(dǎo)帶，并且它的漏電流也比較小,，同時(shí)呢,，這樣兩類器件飽和速度還比較高，是Si的兩倍,，更為重要的是它的臨界擊穿電場(chǎng)可以達(dá)到Si的十倍以上,，這個(gè)特性是非常重要的，意味著在同樣的厚度下,，它的耐壓可以大大提升,。

另外 SiC器件它的熱導(dǎo)率還非常高，因此SiC器件非常適合做高溫大電流的器件,，這是寬禁帶半導(dǎo)體和Si器件的一個(gè)比較?？梢钥吹綄捊麕О雽?dǎo)體比Si導(dǎo)通損耗降低到一百倍以下,，工作溫度呢？以SiC為例呢,？可以是3倍于Si的溫度,，擊穿電壓呢，可以達(dá)到Si的十倍以上,。也正是由于這樣的一些優(yōu)秀的材料特性,，使得現(xiàn)在寬禁帶半導(dǎo)體,，以SiC 、GaN為代表的器件,，得到了迅速的發(fā)展,，這是SiC器件發(fā)展的一個(gè)大事記。

從2001年第一個(gè)SiC肖特基勢(shì)壘二極管推向市場(chǎng)以后,，各種各樣的SiC器件得到了迅速發(fā)展,，現(xiàn)在已經(jīng)有6英寸的SiC器件的量產(chǎn)。

這張圖展示得更加詳細(xì),，我們可以看到,，從肖特基勢(shì)壘二極管MESFET、BJT,、JFET,，MOSFET都有產(chǎn)品問世，并且人們也在開展PIN二極管和IGBT以及晶閘管等器件研發(fā),。

2013年10月在日本舉行的ICSCRM,，這是一個(gè)SiC基的功率半導(dǎo)體器件的一個(gè)會(huì)議。不光是美國(guó)的CREE公司,，這家公司在SiC領(lǐng)域里面是做得非常好的一家公司,，還包括了另外眾多公司，都在積極地推出了6英寸的SiC硅片,，為什么關(guān)注6英寸的SiC的硅片呢,，這是因?yàn)镾iC發(fā)展的過程中間，最大的問題就是成本太高,，價(jià)格太高就限制了SiC產(chǎn)品的應(yīng)用,。

因此，如果我們能用,，更大尺寸的SiC襯底做SiC器件,，有望使得SiC的成本降低，使得SiC的整個(gè)產(chǎn)品,，它的市場(chǎng)份額增加,，那么吸引更多的人來(lái)進(jìn)入這個(gè)行業(yè)，使得這個(gè)行業(yè)得到迅速發(fā)展,。

那么,，另外一個(gè)非常重要的事情就是，在2014年的1月15號(hào),，美國(guó)奧巴馬總統(tǒng)到北卡州立大學(xué),，宣布了美國(guó)政府要投資1億4千萬(wàn)美元，建立下一代的功率電子的研究機(jī)構(gòu)，主要開展以SiC為核心器件的,、下一代的功率電子學(xué)的研發(fā),，這又使得SiC得到了世人的關(guān)注。那么這個(gè)事情的一個(gè)倡導(dǎo)者,，就是我們電子科技大學(xué)的校友黃勤博士,，這張圖是擊穿電壓和導(dǎo)通電阻的一個(gè)關(guān)系曲線。

從這張圖上可以看出,，GaN有著最好的擊穿電壓跟比導(dǎo)通電阻的優(yōu)化關(guān)系,，這是因?yàn)镚aN不光禁帶寬度比較寬。

另外它還有一個(gè)非常重要的特點(diǎn),，就是它能夠形成異質(zhì)結(jié),，形成一個(gè)高電子遷移率的晶體管HEMT，這就使得GaN器件得到了人類的關(guān)注,。

同時(shí),，GaN材料和LED用的材料也是一樣的，GaN材料同時(shí)用到了LED上,，LED這樣一個(gè)大產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,，使得GaN材料的制造設(shè)備、GaN材料的生產(chǎn)工藝等都得到了迅速的發(fā)展,。也就是說(shuō)這兩個(gè)行業(yè)可以相互進(jìn)行借鑒,，進(jìn)行融合，這就使得GaN的發(fā)展速度得到了加快,，還有一個(gè)非常重要的因素,。

GaN可以生長(zhǎng)在Si基襯底上，以前GaN器件都是生長(zhǎng)在SiC或者是藍(lán)寶石這樣的晶體材料上,，這樣的襯底材料是非常昂貴的,，雖然它的性能很好，但是襯底材料的昂貴,。限制了GaN器件的應(yīng)用,，硅材料我們都知道，這是人類投入了上萬(wàn)萬(wàn)億的,，這樣的一個(gè)資金發(fā)展的大產(chǎn)業(yè),。如果能夠在硅襯底上跟硅工藝兼容，那么給人的想象空間就非常之大,。硅基上的GaN,，現(xiàn)在得到了人們的高度重視。

在2011年5月26日,，歐洲微電子中心IMEC，推出了一個(gè)在8寸上以SiCMOS工藝兼容的硅基GaN的工藝平臺(tái)。這就是GaN發(fā)展的一個(gè)大事記,。GaN比SiC發(fā)展得要晚一些,。

2010年才第一個(gè)推出了GaN的器件，這是由美國(guó)IR公司推出的,。隨后呢 美國(guó)的EPC公司也推出了從20V到200V的,，GaN的晶體管，最近呢,，又推出了600V的GaN的晶體管,，全球各種各樣的行業(yè)，都在進(jìn)入GaN電力電子器件里面,，就看中GaN功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展,，包括原來(lái)傳統(tǒng)研究Si的公司，在往GaN發(fā)展,。

原來(lái)研究三,、五族化合物半導(dǎo)體公司，也在研究GaN,，以前做LED的,，也在往GaN功率半導(dǎo)體發(fā)展，還有很多新的進(jìn)入者等等,。

GaN成為現(xiàn)在功率半導(dǎo)體的研究熱點(diǎn),，有些公司推出GaN的一個(gè)Road Map。

下面我們來(lái)看占據(jù)了功率半導(dǎo)體半壁河山的功率集成電路,。功率集成電路通常是一種模擬電路,，或者是數(shù)模混合集成電路,，它既需要功率管理,，也需要功率的控制。這個(gè)時(shí)候,，用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝來(lái)做,，就受到限制。為此,，功率集成電路的一個(gè)主流工藝,，稱為BCD工藝。

這個(gè)平臺(tái)上集成了三種工藝,，一種是有著很好模擬特性的BiPolar雙極工藝,，同時(shí)呢，它也集成了集成度最高的容易進(jìn)行邏輯控制的CMOS工藝,，還集成了容易進(jìn)行高壓大電流處理的DMOS工藝,。這種工藝是最復(fù)雜的,，我們稱為BCD工藝。

BCD工藝按照Fairchild也就是飛兆半導(dǎo)體的分法,，它分了三類,，一類，稱為高壓BCD工藝,，主要是電壓耐壓可以到達(dá)1200V,，重點(diǎn)在耐壓上。第二類,，稱為高功率BCD工藝,，電壓不是很高，但是,，可以處理安培級(jí)的電流,，是一個(gè)比較大的功率。第三類,，就是高密度BCD工藝,，這一類，在便攜式設(shè)備,，例如我們的手機(jī),、平板電腦的電源管理上，有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng),，高密度的BCD 電壓不是很高,。但是 跟CMOS兼容性非常之好，密度可以做得很高,。

這是歐洲意法半導(dǎo)體,，能夠提供的BCD工藝的工藝平臺(tái)。我們可以看到,，它的工藝線寬從0.32μm一直到90nm,，包括了低壓到高壓，也包括了硅基和SOI,，這是另外一家公司,，臺(tái)灣的聯(lián)電，這是一家著名的Foundry廠,，提出來(lái)的BCD工藝,。

在這個(gè)工藝?yán)锩嫖覀兛梢钥吹剑瑥?.1μm一直到0.5μm,，不同的線寬,，不同的耐壓，從12V一直到800V,。它有利用硅的外延材料來(lái)制作,，也有利用硅的單晶材料來(lái)制作,，各種BCD的工藝平臺(tái)得到發(fā)展，不光是用硅基制作,。同時(shí),，用SOI的工藝來(lái)發(fā)展汽車電子,。

這樣的BCD工藝,，前飛利浦，現(xiàn)在的恩智浦公司,，也推出了這一系列的高壓的BCD工藝平臺(tái),，也正是由于這樣的各種豐富的BCD工藝平臺(tái)的發(fā)展，使得功率集成電路得到了迅速的發(fā)展,，占據(jù)了整個(gè)功率半導(dǎo)體的半壁河山,。

下面我們來(lái)看整個(gè)功率半導(dǎo)體的發(fā)展趨勢(shì)，我用2012年ISPSD會(huì)議上日本Hiromichi Ohashi教授給出的這樣一張圖,，這張圖借鑒了半導(dǎo)體的發(fā)展路線圖,，ITRS路線圖里面的一個(gè)畫法，整個(gè)功率半導(dǎo)體的發(fā)展,，首先是More Silicon,，基于硅技術(shù)的技術(shù)，還要不斷發(fā)展 還要不斷去完善IGBT,，完善MOSFET,，采用更大的硅片，更薄的硅片,，利用CMOS工藝,，來(lái)做更多的功率集成電路，集成更多的功率器件,，發(fā)展AC Switch交流的開關(guān)器件,。

在SOI上制作功率集成電路，利用硅的工藝來(lái)繼續(xù)發(fā)展,，繼續(xù)完善功率半導(dǎo)體器件,，這是一個(gè)方向。同時(shí)Beyond Silicon,，就是硅以外,，我們還要發(fā)展新的材料,，包括SiC,、GaN、金剛石,，以及異質(zhì)外延的材料,，比如說(shuō)硅基GaN,，也是屬于這種異質(zhì)外延的材料,，用新的材料去發(fā)展新的功率半導(dǎo)體器件。

另外一個(gè)方向呢,，就是More Than Silicon,，更多的是瞄準(zhǔn)了各種功能的集成，包括功率IC里面,，包括功率模塊里面的發(fā)展,，這就要發(fā)展包括互聯(lián)的材料、磁性材料,、介質(zhì)材料,，它的冷卻，它的封裝,，它的傳感以及整個(gè)功率IC的控制等等,。最終呢，我們是希望給人類提供滿足用戶需求的功率電子學(xué)產(chǎn)品,。

下面我們來(lái)講第三部分,，中國(guó)的功率半導(dǎo)體技術(shù)，我們國(guó)家是全球最大的功率半導(dǎo)體市場(chǎng),，占據(jù)了全球50%以上的市場(chǎng)份額,，但是我們從全球前10家功率半導(dǎo)體的供應(yīng)商，或者是前10家功率分離器件和模塊的供應(yīng)商來(lái)看,，沒有一家我們國(guó)家的企業(yè),。

我們放寬到全球前20家來(lái)看，也找不到任何一家我們國(guó)家自己的企業(yè),，這是一個(gè)很遺憾的事情,，但是，這個(gè)遺憾現(xiàn)在正在被打破,。

中國(guó)由于有大的功率半導(dǎo)體市場(chǎng),，和中國(guó)的整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的不斷發(fā)展，使得現(xiàn)在中國(guó)的功率半導(dǎo)體,，引起了全球的高度關(guān)注,，中國(guó)的功率半導(dǎo)體也得到了迅速發(fā)展。近十年來(lái),，我們不光能夠生產(chǎn)功率MOSFET,，我們也能夠生產(chǎn)超級(jí)結(jié)的功率MOSFET。也就是說(shuō),，從槽柵,、平面柵到超級(jí)結(jié)，我們中國(guó)都能夠自己提供自己的產(chǎn)品,。

另外一類IGBT ,，IGBT在前幾年完全被國(guó)外所壟斷,，最近幾年，在國(guó)家的政策和國(guó)家科技重大專項(xiàng)的支持下,，我們IGBT終于有了自己的芯片,，南車北車也推出了功率IGBT的模塊，我們的地鐵,，我們的動(dòng)車上,，都用上了我們自己的IGBT，BCD高壓集成電路的工藝也是如此,。

我們傳統(tǒng)的高壓BCD工藝,，從最早的24所的4寸、58所的5寸,、到BCD工藝的6寸 這些都是從IDM，也就是說(shuō)自己的垂直集成的企業(yè),，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到華潤(rùn)上華的6寸,、上海先進(jìn)的8寸、華虹宏力的8寸,，代工廠都具有了這樣的一個(gè)能力,，代工廠具有了這樣的一些先進(jìn)的BCD工藝以后，就為更多的設(shè)計(jì)公司提供了平臺(tái),，能夠促進(jìn)我們國(guó)家整個(gè)功率半導(dǎo)體的發(fā)展,。

前面我們是從企業(yè)來(lái)講，我們從學(xué)術(shù)上來(lái)講,，在2013年日本舉行的功率半導(dǎo)體界的頂級(jí)學(xué)術(shù)會(huì)議ISPSD上,。不包括中國(guó)臺(tái)灣和中國(guó)香港，中國(guó)內(nèi)陸就投稿了20篇,，并列全球第三,。如果我們加上中國(guó)臺(tái)灣和中國(guó)香港，我們中國(guó)的投稿數(shù)就達(dá)到了38篇,，位居全球第一,。也正是由于中國(guó)功率半導(dǎo)體，這樣的學(xué)術(shù)研究的不斷發(fā)展,，這樣的學(xué)術(shù)研究的不斷發(fā)展,。2015年的ISPSD會(huì)議將在香港召開，因此,，我們期望大家一起努力,，使得我們整個(gè)中國(guó)的功率半導(dǎo)體不斷發(fā)展，最終走向世界的前列,，今天的分享就到這里,，謝謝大家,。