功率半导体的发展

功率半导体的发展

摘要：回顾了现代电力电子器件的发展历史，涉及的器件包括晶闸管、GTO、IGCT、MTO、IGBT、各种改进型的IGBT 以及CoolMOS。叙述了采用新型材料的电力电子器件的发展和前景，应用碳化硅和氮化镓材料的功率器件正在迅速地发展，一些器件有望在不远的将来实现商品化，进入电力电子技术市场。

关键词：电力电子器件；碳化硅；氮化镓；发展；展望

Development of Power Semiconductor Device

Abstract:The developing history of modern power electronic device is reviewed, which includes thyristor, GTO, IGCT, MTO, IGBT,improved IGBT and CoolMOS. The development and perspective of power electronic device with novel materials are proposed. The powerdevice applying SiC and GaN is in a speedy growing, some of which will realize commercialization in the near future and enter into thetechnology market of power electronics.

Key words: power electronic device; SiC; GaN; development; prospective

率半导体器件是进行功率处理的半导体器件，它包括功率二极管、功率开关器件与功率集成电路。功率半导体器件技术是电力电子技术的基础与核心，它是微电子技术与电力电子技术的结合。新型电力电子器件的主要代表是场型控功率器件和智能功率集成电路（Smart Power IC-SPIC）。最早的功率器件是由少数载流子（少子）参与输运的电流控制型器件。由于少子存储效应，工作频率一般小于1MHZ，且其输入阻抗低、驱动电流大。而且由于是正电流温度系数，故有二次击穿现象；随着多晶硅和平面工艺的发展，出现多数载流子（多子）参与输运的电压控制型器件，即场控功率器件。它可以分为两大类：主要的一类是MOS型功率器件，如垂直扩散MOS（VDMOS）,绝缘栅双极晶体管（IGBT）和MOS控制晶闸管（MCT）等；另一类是静电感应器件，如静电感应晶体管（SIT），双极型静电感应晶体管（BSIT）和静电感应晶闸管（SITH）等。功率集成电路（PIC）是指将高压功率器件与信号处理系统及外围接口电路、保护电路、检测诊断电路等集成在同一芯片的集成电路。一般将其分为智能功率集成电路（SPIC）和高压集成电路（HVIC）两类。但随着PIC的不断发展，两者在工作电压和器件结构上（垂直或横向）都难以严格区分，已习惯于将它们统称为智能功率集成电路。智能功率集成电路是集成电路的重要分支，是功率SoC（System on Chip）的核心技术，它将信息采集、处理与功率控制合一，是引发第二次电子革命的关键技术[1]。

1、功率半导体器件的简介

20世纪50年代，电力电子器件主要是汞弧闸流管和大功率电子管。60年代发展起来的晶闸管，因其工作可靠、寿命长、体积小、开关速度快，而在电力电子电路中得到广泛应用。70年代初期，已逐步取代了汞弧闸流管。80年代，普通晶闸管的开关电流已达数千安，能承受的正、反向工作电压达数千伏。在此基础上，为适应电力电子技术发展的需要，又开发出门极可关断晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管等一系列派生器件，以及单极型MOS功率场效应晶体管、双极型功率晶体管、静电感应晶闸管、功能组合模块和功率集成电路等新型电力电子器件。

各种电力电子器件均具有导通和阻断两种工作特性。功率二极管是二端(阴极和阳极)器件，其器件电流由伏安特性决定，除了改变加在二端间的电压外，无法控制其阳极电流，故称不可控器件。普通晶闸管是三端器件，其门极信号能控制元件的导通，但不能控制其关断，称半控型器件。可关断晶闸管、功率晶体管等器件，其门极信号既能控制器件的导通，又能控制其关断，称全控型器件。后两类器件控制灵活，电路简单，开关速度快，广泛应用于整流、逆变、斩波电路中，是电动机调速、发电机励磁、感应加热、电镀、电解电源、直接输电等电力电子装置中的核心部件。这些器件

构成装置不仅体积小、工作可靠，而且节能效果十分明显(一般可节电10%～40%)。

单个电力电子器件能承受的正、反向电压是一定的，能通过的电流大小也是一定的。因此，由单个电力电子器件组成的电力电子装置容量受到限制。所以，在实用中多用几个电力电子器件串联或并联形成组件，其耐压和通流的能力可以成倍地提高，从而可极大地增加电力电子装置的容量。器件串联时，希望各元件能承受同样的正、反向电压；并联时则希望各元件能分担同样的电流。但由于器件的个异性，串、并联时，各器件并不能完全均匀地分担电压和电流。所以，在电力电子器件串联时，要采取均压措施；在并联时，要采取均流措施。

电力电子器件工作时，会因功率损耗引起器件发热、升温。器件温度过高将缩短寿命，甚至烧毁，这是限制电力电子器件电流、电压容量的主要原因。为此，必须考虑器件的冷却问题。常用冷却方式有自冷式、风冷式、液冷式(包括油冷式、水冷式)和蒸发冷却式等。

2、功率半导体器件的发展现状

功率半导体器件的半导体衬底材料是影响功率器件发展的基础，下面分别以目前应用和研究最广泛的硅基和SOI(SOI，Silicon-On-Insulator)基为例对功率器件的发展作简单的概述。

2.1 硅基功率器件

硅基功率器件是第一代半导体功率器件，在对硅、锗材料以及与之形成界面的氧化物、硅/金属研究成熟的基础上，出现了功率晶闸管、功率二极管、功率MOS、IGBT等。功率二极管是功率半导体器件的重要分支。目前商业化的功率二极管主要是PiN功率二极管和肖特基势垒功率二极管（SBD）[2]。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肖特基势垒功率二极管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，阻碍了肖特基势垒功率二极管的高压大电流应用，加之肖特基势垒功率二极管极差的高温特性、大的泄漏电流和软击穿特性，使得硅肖特基势垒功率二极管通常只工作在200伏以下的电压范围内。晶闸管（Thyristor, 也可称为可控硅--SCR）是目前具有最高耐压容量与最大电流容量的器件，其最大电流额定值为8000A，电压额定值可达12kV。国外目前已能在100mm直径的硅片上工业化生产8kV/4000A的晶闸管。但晶闸管不能用门极控制其关断，需要复杂的辅助换流关断电路。因此，自八十年代以来，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得到迅速发展，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吋硅片上生产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，以及小的安全工作区（Safe Operating Area—SOA），在工作时需要一个庞大的吸收（Snubber）电路。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的基础上，三种MOS栅控制且具有硬关断（Hard Switching）能力的新型大功率半导体器件⎯瑞典ABB公司和日本三菱电机公司提出的集成栅换流晶闸管（ABB称为Integrated Gate Commutated Thyristor -IGCT，日本三菱电机称为Gate Commutated Turn-off Thyristor-GCT）[3]。

2.2 SOI基功率半导体器件

绝缘体上硅(SOI)是在80年代迅速发展起来的一种新结构半导体材料。以SOI横向高压器件为基础的SOI高压集成电路(High Voltage IC, HVIC)，作为智能功率集成电路(Smart Power IC, SPIC)领域的一个新兴分支，近年来得到了迅速地发展[7]。SOI横向高压器件作为SOI高压集成电路的基石，受到了国内外众多半导体器件工作者的广泛关注和深入研究，并正逐步走向实用化和产业化阶段。

国内对高压SOI技术的研究起步较晚，从1994年开始有较多的关于SOI材料技术和低压SOI器件方面的报道。电子科技大学微电子所在北京大学和信息产业部电子24所的协助下，采用键合的方法，获得了较好的高压槽形埋层二氧化硅SOI材料，并在该材料上初步研制出耐压为700V的横向功率MOS型器件，并提出了He生空位局域寿命控制技术[8]，有效地提高了器件的耐压和速度，已具备了研究SOI功率集成电路的能力。

SOI高压器件作为SOI SPIC的核心器件，其击穿电压取决于横向击穿电压和纵向击穿电压的较低