這是來自電子科技大學微電子與固體電子學院副院長 張波的一篇文章，張教授就功率半導體的發展現狀及未來的趨勢進行了詳細的解說，希望各位對這個重要的元器件有全方位的了解，文章比較長，希望大家能夠耐心看完。

　　一、功率半導體的重要性

　　功率半導體器件是進行電能（功率）處理的半導體產品，是弱電控制與強電運行間的橋梁。

　　在可預見的將來，電能將一直是人類消耗的最大能源。從手機、電視、洗衣機、到高速列車，均離不開電能。無論是水電、核電、火電還是風電，甚至各種電池提供的化學電能，大部分均無法直接使用，75%以上的電能應用需由功率半導體器件進行功率變換以后才能供設備使用。

　　每個電子產品均離不開功率半導體技術。功率半導體的目的是使電能更高效、更節能、更環保并給使用者提供更多方便。如通過變頻來調速，使變頻空調在節能50-70%的同時，更環保、更安靜、讓人更舒適。人們希望便攜式電子產品一次充電后有更長的使用時間，在電池沒有革命性進步以前，需要更高性能的功率半導體器件進行高效的電源管理。正是由于功率半導體能將“粗電”變為“精電”，因此它是節能減排的基礎技術和核心技術。

　　隨著綠色環保在國際間的確立與推進，功率半導體的應用范圍已從傳統的工業控制和4C產業（計算機、通信、消費類電子產品和汽車），擴展到新能源（風電、太陽能）、軌道交通、智能電網等新領域。據國際市場調研機構HISISuppliResearch報告，2011年全球功率半導體市場在2010年大增37.8%以后，繼續增長6.7%，達到331億美元。中國是全球功率半導體的最大市場，占據了超過全球50%以上的份額。

　　與微處理器、存儲器等數字集成半導體相比，功率半導體的產品壽命周期相對較長，可為幾年甚至十幾年；同時功率半導體不追求特征尺寸的快速縮小，不要求最先進的生產工藝，其生產線成本遠低于Moore定律制約下的超大規模集成電路。因此，功率半導體非常適合我國的產業現狀以及我國能源緊張和構建和諧社會的國情。

　　二、功率半導體的定義與分類

　　功率半導體（PowerSemiconductor，PowerManagementSemiconductor）器件可定義為進行功率處理的半導體器件。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。

　　功率半導體器件包括功率二極管、功率開關器件與功率集成電路，前兩者也稱為功率（分立）器件。國內常常將功率（分立）器件稱為電力電子器件，這是因為早期的功率半導體器件如大功率二極管、晶閘管等主要應用于工業和電力系統領域。

　　圖1給出了功率半導體器件的分類。功率半導體器件包括功率（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稱為功率開關器件（PowerSwitches）。

　　功率集成電路（PIC：PowerIC）在國際上又常被稱為智能功率集成電路（SPIC：SmartPowerIC，國內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。

　　二十世紀八十年代之前的功率半導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，其余的功率半導體器件都是低頻器件，一般工作在幾十至幾百赫茲，少數可達幾千赫茲。然而功率電路在更高頻率下工作時將凸顯許多優點，如高效、節能、減小設備體積與重量、節約原材料等。因此在二十世紀八十年代發生了“20kHz革命”，即功率半導體電路中的工作頻率提高到20kHz以上。這時傳統的功率半導體器件如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體器件因此應運而生。新一代功率半導體器件除具有高頻（相對于傳統功率器件而言）工作的特點外還都是電壓控制器件，因而使驅動電路簡單，逐漸成為功率半導體器件的主流和發展方向，在國際上被稱為現代功率半導體器件（ModernPowerSemiconductorDevices）。

　　現代功率半導體器件的制造技術與超大規模集成電路一樣都是以微細加工和MOS工藝為基礎，因而為功率半導體的集成化、智能化和單片系統化提供了可能，進而促進了將功率半導體器件與過壓、過流、過溫等傳感與保護電路及其驅動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展。

　　目前市場主流的功率半導體器件是硅基器件，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體材料制備、制造工藝與器件物理的迅速發展，SiC和硅基GaN電力電子器件逐漸成為功率半導體器件的重要發展領域。

　　三、功率半導體技術與產業發展狀況

　　（一）功率二極管

　　功率二極管是功率半導體器件的重要分支，占據9%的功率半導體市場份額（2011年數據）。

　　目前商業化的功率二極管以PiN功率二極管和肖特基勢壘功率二極管（SBD）為主。前者有著耐高壓、大電流、低泄漏電流和低導通損耗的優點，但電導調制效應在漂移區中產生的大量少數載流子降低了關斷速度，限制了電力電子系統向高頻化方向發展。具有多數載流子特性的SBD有著極高的開關頻率，但其串聯的漂移區電阻有著與器件耐壓成2.5次方的矛盾關系，阻礙了SBD的高壓大電流應用，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。

　　為了獲取高壓、高頻、低損耗功率二極管，研究人員正在兩個方向進行探索。一是沿用成熟的硅基器件（超大規模集成電路）工藝，通過新理論、新結構來改善高壓二極管中導通損耗與開關頻率間的矛盾關系，二是采用新材料研制功率二極管。

　　在硅基功率二極管方面，結合PN結低導通損耗、優良阻斷特性和SBD高頻特性兩者優點于一體的新器件正逐漸走向成熟并進入市場，如美國Vishay公司推出的45V-200V的TMBS系列產品，美國PowerIntegrations公司推出的Qspeed系列二極管產品等。此外，為開發具有良好高頻特性和優良導通特性的高壓快恢復二極管，通過控制正向導通時漂移區少數載流子濃度與分布的新結構器件也不斷出現并成功應用于高性能IGBT模塊中，如英飛凌公司的EmCon二級管、ABB公司的SPT＋二極管和日本富士電機的SASFWD等。***Diode公司充分利用MOS控制二極管理論和VLSI工藝研制的超勢壘二極管（SuperBarrierRectifier）已經在市場上多處替代SBD。

　　隨著半導體工藝技術的發展，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。為使變換器效率達到90%以上，一種利用功率MOS器件低導通電阻特點的同步整流器（SR：SynchronousRectifier）及同步整流技術應運而生，低導通損耗功率MOS器件的迅速發展為高性能同步整流器奠定了強大的發展基礎。

　　砷化鎵（GaAs）SBD雖然已獲應用，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，使得GaAsSBD只能工作在600伏以下的電壓范圍內，遠遠不能滿足現代電力電子技術的發展需要。SiC材料以其3倍硅的禁帶寬度、10倍硅的臨界擊穿電場、2倍硅的飽和漂移速度和3倍硅的熱導率等優良特性而得到迅速發展。SiCSBD是第一個商業化的SiC電力電子器件，目前Cree、Rohm、Infineon等十余家廠商已經將SiCSBD產品添加在其產品系列中。Cree公司已量產600-1700V/1-50A的系列SiCSBD產品，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）和更高的開關速度（》10倍）。2012年，日本京都大學報道了耐壓21.7kV的SiCPiN二極管，Cree公司于2006年報道了在1.5cm？1.5cm的4H-SiC芯片上，單管輸出電流達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二極管合格率已經達到40%。

　　國內近幾年在功率二極管領域發展迅速，芯片加工線已從3-4英寸向5-6英寸，甚至8英寸發展，并有江蘇宏微、深圳芯微等設計公司涉足，在快恢復二極管（FRD）方面，國產器件已占據國內80%以上市場份額。

　　（二）功率晶體管

　　1.功率BJT

　　功率BJT是第一個商業化的功率晶體管，雖然存在二次擊穿、安全工作區受各項參數影響而變化大、熱容量小、過流能力低等缺點，學術界也一直有功率BJT將被功率MOS和IGBT所取代的觀點，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仍然在功率開關器件里占有一席之地（2010年占整個功率半導體市場5%份額）。

　　與Si基BJT相比，SiC基BJT具有低20～50倍的開關損耗以及更低的導通壓降，且SiCBJT由于二次擊穿的臨界電流密度是Si的大約100倍而免于傳統的二次擊穿困擾，雖然與場控器件相比較，BJT的驅動電路較為復雜，但和SiCJFET和VDMOS器件相比，其制作工藝簡單。美國GeneSiC公司已推出1200V/10A的SiC功率BJT產品，并正開發1200V-10kV的系列SiC功率BJT。

　　國內有眾多廠商在生產硅基功率BJT，如深圳深愛、華潤華晶、吉林華微等，廣泛應用于綠色照明、充電器等領域，在國際功率BJT領域占據較大份額。

　　2.功率MOSFET

　　功率MOSFET應用領域廣闊，是中小功率領域內主流的功率半導體開關器件，是DC-DC轉換的核心電子器件，占據著功率半導體市場單類產品的最大份額（2010年市場銷售65億美元，占整個功率半導體市場份額21%）。

　　功率MOSFET起源于1970年代推出的垂直V型槽MOSFET（VerticalV-grooveMOSFET：VVMOS），在VVMOS基礎上發展起來的以VDMOS為代表的多子導電的功率MOSFET顯著地減小了開關時間，同時利用了硅片自身的特性實現了縱向耐壓，沖破了電力電子系統中20kHz這一長期被認為不可逾越的障礙。

　　功率MOSFET是一種功率場效應器件，通常由多個MOSFET元胞（Cell）組成。目前功率MOSFET主要包括中高壓領域傳統結構平面柵功率MOS器件（VDMOS），中低壓領域高密度槽柵功率MOS，和近幾年發展迅速的超結（SJ：SuperJunction或Multi-RESURF或3DRESURF，電子科技大學陳星弼院士的專利中稱其為復合緩沖層：CompositeBufferLayer）功率MOS。

　　功率MOS是低壓（

　　此外，在低壓功率MOS器件領域，美國TI公司結合RFLDMOS結構的低柵電荷、電荷平衡機理的低導通電阻以及引入N＋Sinker所具有的雙面冷卻所研發的NextFETTM獲得了好的市場效果。

　　為開發高壓低功耗功率MOS，德國Infineon公司在1998年推出了基于超結的CoolMOS。由于采用新的耐壓層結構，CoolMOS在保持功率MOS優點的同時，有著極低的導通損耗。目前國際上已有包括Infineon、IR、Toshiba、Fairchild和我國華虹NEC等多家公司采用該結構生產600V-900V低功耗功率MOS。

　　除硅基功率MOS外，新材料也不斷應用于功率MOS的發展中，多種基于GaAs、SiC和GaN材料的功率MOS已研制成功。美國DARPA高功率電子器件應用計劃－HPE的目標之一就是研制10kV的SiCMOSFET。2011年1月，繼日本Rohm公司首次在市場上推出SiC功率MOS以后，美國Cree公司也推出了1200V的SiCMOSFET產品。內置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。

　　國內從1980年代即開始功率MOS研發，但直到2003年才由紹興華越開始VDMOS量產，和由華虹NEC為境外客戶代工槽柵功率MOS。近年來，國內功率MOS產業取得了飛速發展，已開始逐漸取代國外產品，江蘇東光、深圳深愛、吉林華微、華潤華晶、華潤上華、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英寸生產線均在批量生產功率MOS芯片，也產生了南方芯源、無錫新潔能、成都方舟等一批以功率MOS為主營業務的專業設計公司。但國內功率MOS的主流產品還是以平面柵功率MOS（VDMOS）為主，在專利保護眾多、市場競爭激烈、市場份額最大的低壓槽柵功率MOS領域，國內雖有涉足，但多以代工為主，缺乏具有自主知識產權和市場競爭力的高端產品。

　　國內針對SJ結構的設計和國際同步，電子科技大學等單位對SJ結構進行了大量而卓有成效的研究。SJ結構國際學術界認同的原始專利來源之一是我國的陳星弼院士，但是受限于工藝條件，國內在SJ結構的制備技術和器件開發上長期未獲進展。2009年底，上海華虹NEC和電子科技大學合作，采用深槽刻蝕和外延填充技術成功實現了SJ功率MOSFET，擊穿電壓達到750V，部分動態參數優于國外同類產品。該成果打破了國內在SJ結構的制備和SJ器件的實用化研究方面的空白，同時也成為國際上首家8英寸SJ功率MOSFET代工平臺。目前上海華虹NEC的SJ功率MOSFET平臺已基本成熟，已有國內外十余家企業在其平臺上逐步量產產品。