功率集成电路与集成功率模块发展迅速

穿电场，使得 GaAs 肖特基势垒功率二极管也只能 工作在 600 伏以下的电压范围内，远远不能满足现 代电力电子技术的发展需要。碳化硅(SiC )材料以其 宽的禁带宽度、高的临界击穿电场、快的饱和速度、 高的热导率、高硬度、强抗化学腐蚀性和可与 Si 相 比较的迁移率特性，以及其较为成熟的材料制备和 制作工艺，成为目前发展最快的宽带半导体材料， 是功率半导体器件的研究热点。在由美国海军资助 的 M URI 项目中， Purdue 大学研制成功 4900 伏 的 SiC 肖特基势垒功率二极管。 2000 年 5 月，美 国 CREE 公司与日本关西电力公司(K EPCO )联合 研制成功世界上第一只超过 1 . 2 万伏的 SiC 二极 管，这只耐压高达 12 . 3KV 的二极管，正向压降 在电流密 度为 100 A / cm 2 时仅为 4 . 9V ，目 前 CREE 与 KEPCO 研制的 SiC 二极管耐压已高达 19 . 2KV 。在硅基功率二极管方面，结合 PN 结低 导通损耗、优良的阻断特性和肖特基势垒二极管高
功率 MOSFET ：低压领域应用最佳
功率 M OSFET 是低压范围内最好的功率开关 器件，但在高压应用时，其导通电阻随耐压的 2 . 5
次方急剧上升，给高压功率 M OSFET 的应用带来 了很大困难。此外，随着 VDSM 的迅速发展，IC 内 部的电源电压越来越低，所需处理的电流越来越大， 对功率半导体器件的要求也越来越苛刻。为满足系 统不断更新的性能指标，功率 M OSFET 的工艺水 平已进入亚微米甚至向深亚微米发展，利用 Spacer 技术研制的小单元尺寸第五代功率 M OSFET 和槽 栅功率 M OSFET 已工业化生产，IR 公司生产的第 八代 HEXFET 元胞密度到达每平方英寸 1 . 12 亿 个 。美 国 A A TI 采 用 0 . 3 5 μ m 工 艺 生 产 的 Tren ch DM OS 其元胞密度更高到达每平方英寸 2 . 87 亿个。在 2003 年的国际功率半导体年会上，东 芝公司发 布了一 款 33V 耐 压的深槽 新结构功 率 M OSFET ，其比导通电阻只有 10m Ω m m 2 。此外， 采用自对准工艺减少掩膜版次数、采用非均匀漂移 区降低导通电阻等新结构、新工艺正不断涌现。
一种基于电子科技大学陈星弼院士发明专利， 打破传统功率 M OSFET 理论极限，被国际上盛誉 为 功 率 M O SF ET 领 域 里 程 碑 的 新 型 功 率 M OSFET - CoolM OS 于 1998 年问世并很快走向市 场。CoolM OS 由于采用新的耐压层结构，在几乎保 持功率 M OSFET 所有优点的同时，又有着极低的 导通损耗。这里需特别指出的是，陈院士的 CB 及异 型岛结构，是一种耐压层上的结构创新，不仅可用于 垂直功率 M OSFET ，还可用于功率 IC 的关键器件 LDM OS 以及 SBD 、SIT 等功率半导体器件中，可 称为功率半导体器件发展史上的里程碑式结构，该 发明由此也名列 2002 年信息产业部三项信息技术 重大发明之首位。最近，笔者在国家“863”项目的支 持下，利用三维超结结构，在国际上首次获得了与低
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电力电子产品概况
产品类型 产品性能
生产工艺 线宽 国内状况 国外状况
第一代 整流管、 SCR 高压、大电流
二极管 无 还在生产 不生产
第二代
第三代
GIO 、 GIR
VDM OS 、 IGBT
可关断、低频、 开关、高频、高压
高压、大电流 大电流、负温度
晶体管兼容二极管 M OS 兼容晶体管
10 μ m ～ 100 μ m 0.5 μ m ～ 5 μ m
频 特 性 两 者 优 点 于 一 体 的 JBS 、 M PS 、 TM BS 、 TM PS 等新器件正逐渐走向成熟。此 外，为开发具有良好高频特性和优良导通特性的 高压快恢复二极管，许多通过控制正向导通时漂 移区少数载流子浓度与分布的新结构，如 SSD 、 SPEED 、 SFD 、 ESD 、 BJD 等也不断 出现。美国国家工程中心电力电子系统中心 (C PES)提出的 M OS 控制二极管(M CD )，通过单 片集成的 M OSFET 控制 PiN 二极管的注入效 率，使 M CD 正向导通时既能有 PiN 二极管的 大注入效应，在关断时又处于低的甚至零过剩载 流子存储状态，从一个全新的角度提出了改善高 压二极管中导通损耗与开关频率间矛盾关系的新 方法。
随着 VDSM (超深亚微米)工艺的发展，微处 理器、通信用二次电源等都需要低电压大电流 功率转换器。随着功率变换器输出电压的降 低，整流损耗成为转换器的主要损耗。为使变 换器效率达到 90% 以上，传统的肖特基势垒整 流器已不再适用，一种利用功率 M OSFET 低导 通电阻特点的同步整流器(SR )及同步整流技术应 运而生，低导通损耗功率 M OSFET 的迅速发展 为高性能同步整流器提供了强大的物质基础。
主流生产
实验室水平
甚少生产
主流生产
IGBT 和 VDMOS 是最新一代电力电子 器件产品
国内电力电子器件市场预测
目前国内 VDMOS 与 IGBT 产品 90% 以上依赖进口。
电力电子器件的国内需求量每年增 长达 15% ，已超过 3 亿只，而新型电 力电子器件 VDMOS 与 IGBT 每年的需求 量增幅更达 25% 。
为了获取高压、高频、低损耗功率二极管，研究 人员正在两个方向进行探索。一是采用新材料研制 肖特基势垒功率二极管，二是沿用成熟的硅基器件
工艺，通过新理论、新结构来改善高压二极管中导通 损耗与开关频率间的矛盾关系。砷化镓(G aAs)肖特 基 势 垒 功 率 二 极 管 虽 然 已 经 获 得 应 用 ，但 其 1 . 42eV 的禁带宽度和仅 1 . 5 倍于硅材料的临界击
半导体功率开关器件新品频出
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 额定值为 8000A ，电压额定值可达 12KV 。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。自上世纪 80 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(G TO ) 得到迅速发展，目前日本三菱电机公司、瑞典 ABB 等多家厂商能在 6 英寸硅片上生产 6KV / 6KA 、频 率 1KH z 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，在工作时需要一 个庞大的吸收电路。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，由 M OS 栅控制且具有硬关断能力的新型 大功率半导体器件不断涌现，其典型代表为瑞典 ABB 公司和日本三菱电机公司生产的集成栅换流晶 闸管、美国硅功率公司提出的 M OS 关断晶闸管和 由美国 CPES 黄勤教授提出的发射极关断晶闸管。
双极型功率晶体管仍占一席之地
双极型功率晶体管虽然存在二次击穿、过流能 力低等缺点，学术界也一直有双极型功率晶体管将 被功率 M OSFET 和绝缘栅双极晶体管所取代的观 点，但由于其成熟的加工工艺、极高的成品率和低廉 的成本，使双极型功率晶体管仍然在功率开关器件 里占有一席之地，且近年来国际上正采用一些先进 的超大规模集成电路工艺(如 RIE )和 EDA 工具改 善其电特性。笔者最近提出的一种新结构就可在保 持双极型功率晶体管其他电特性不变的情况下，通
预计到 2005 年 IGBT 市场需求将达 到 5 . 6 亿只，市场规模将达 111 亿美 元。
前几年一直让人寄予厚望的 M OS 控制晶闸 管(M CT )系列，随着 1998 年 H ARRIS 公司将 M CT 研发部门出售而陷于低谷。在结构构想上 颇具理想色彩的 M CT 由于其关断时电流的不均 匀性及关断电流受旁路电阻限制而始终无法占据 大功率开关器件的主导地位。
宽禁带半导体器件，特别是 SiC 半导体器件 被视为下一代的半导体功率器件，各种 SiC 功率 开关器件相继研制成功，虽然近几年 SiC 功率开 关器件取得了长足进步，但离大规模商业化仍还 有一段距离。
功率半导体技术方兴未艾
■电子科技大学微电子与固体电子学院 张 波
功率二极管向高压、高速、低损耗方向发展
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、 肖特基势垒功率二极管和同步整流器。 PiN 功率 二极管有着耐高压、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。
预计到 2005 年， IGBT 国内市场需 求将达 750 万只， VDMOS 需求量将达到 6 亿只，器件和基础类产品销售收入将 达 4000 亿元。
国际电力电子器件市场预测
世界电力电子器件市场销售额每年 以 9% 的速率递增。
VDMOS 器件以每年 32 . 6% 的速率 增长， IGBT 的年增长率为 30%
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电力电子专刊
编辑：诸玲珍 电话： 88558828 e- m ail:zhulzh@ cena.com .cn
功率器件
2004 年 6 月 11 日 星期五 广告服务热线： 88558818/ 58
功率半导体器件技术近年来取得长足进步，已深入到工业生产与人民生活的各个方面。它正朝高温、高频、低功耗、高功率容量以及智能化、系统化方向发展，制造技 术已进入深亚微米时代，新结构、新工艺硅基功率器件正不断出现，并逼近硅材料的理论极限，以 SiC 为代表的新材料功率半导体器件正在浮出水面。
压器件兼容的导通电阻较传统器件降低 5 倍的高 压 LDM OS 。
IGBT ：中等功率应用主流开关器件
绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 (IG B T )既 有 功 率 M OSFET 高输入阻抗、驱动电路简单等优点，又 具有功率晶体管漂移区电导调制、导通损耗低的 特点。这些优势使 IGBT 在 600V 以上中等电压 范围内成为主流的功率器件，且正逐渐向高压大 电流领域发展，挤占传统 SCR 、GTO 的市场份 额。在高压 IGBT 的器件研究中，一种具有类似功 率 PiN 二极 管漂移 区浓度 分布 的注入 增强型 IG BT - IE GT 已研制成功，IEGT 通过发射极侧 的注入增强效应，大大降低了高压 IGBT 的导通 损耗，通过局域寿命控制技术及透明集电极技术， 控制集电极侧的载流子浓度，减弱了 IGBT 关断 电流尾。商业化的 IGBT 已发展成系列，电流范围 包括从 2A 的 IGBT 单管到 2400A 的 IGBT 模 块，耐压范围涵盖 370V 到 6500V 。在高频领域， 2003 年 2 月 IR 公司推出 NPT 结构的 150KHz/ 600V 系列 IGBT ；在高电压应用领域，Eupec 生 产的 600A / 6500k V 的 IGBT 模块已获得实际应 用 ，A BB 公司采 用软 穿通原 则研 制出 8000 V IGBT 。
Байду номын сангаас
过优化设计，提高其电流增益三倍以上。 由于双极型功率器件必须提供较大的控制电
流，而使门极控制电路非常庞大，功率变换系统的体 积和重量增大，效率降低。随着新型功率 M OS 器件 的发展，M OS 型功率器件及以其为基础的新型压 控型功率器件在电力电子装置中得到广泛应用。压 控器件可用一些专用的高压集成电路进行控制，甚 至可以把功率器件和控制、自保护电路等做在一个 芯片上，大大促进了智能功率集成电路的发展，促进 了电力电子系统向智能化、小型化和高性能方向发 展。