浅谈功率半导体的技术与未来产业发展

二十世纪八十年代之前的功率半导体器件主要是功率二极管、可控硅整流器（SCR）和功率BJT。除功率BJT中部分功率不大的晶体管可工作至微波波段外，其余的功率半导体器件都是低频器件，一般工作在几十至几百赫兹，少数可达几千赫兹。然而功率电路在更高频率下工作时将凸显许多优点，如高效、节能、减小设备体积与重量、节约原材料等。因此在二十世纪八十年代发生了"20kHz革命"，即功率半导体电路中的工作频率提高到20kHz以上。这时传统的功率半导体器件如SCR和GTR（巨型晶体管或称为电力晶体管）等因速度慢、功耗大而不再适用，以功率MOS和IGBT为代表的新一代功率半导体器件因此应运而生。新一代功率半导体器件除具有高频（相对于传统功率器件而言）工作的特点外还都是电压控制器件，因而使驱动电路简单，逐渐成为功率半导体器件的主流和发展方向，在国际上被称为现代功率半导体器件（ModernPowerSemiconductorDevices）。

　　现代功率半导体器件的制造技术与超大规模集成电路一样都是以微细加工和MOS工艺为基础，因而为功率半导体的集成化、智能化和单片系统化提供了可能，进而促进了将功率半导体器件与过压、过流、过温等传感与保护电路及其驱动和控制电路等集成于同一芯片的单片功率集成电路的迅速发展。

　　目前市场主流的功率半导体器件是硅基器件，包括部分SOI（SOI：SilicononInsulator）基高压集成电路，随着以SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）为代表的宽禁带半导体材料制备、制造工艺与器件物理的迅速发展，SiC和硅基GaN电力电子器件逐渐成为功率半导体器件的重要发展领域。

　　三、功率半导体技术与产业发展状况

　　（一）功率二极管

　　功率二极管是功率半导体器件的重要分支，占据9%的功率半导体市场份额（2011年数据）。

　　目前商业化的功率二极管以PiN功率二极管和肖特基势垒功率二极管（SBD）为主。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SBD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SBD的高压大电流应用，加之SBD极差的高温特性、大的泄漏电流和软击穿特性，使得硅SBD通常只工作在250伏以下的电压范围内。

　　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。一是沿用成熟的硅基器件（超大规模集成电路）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，二是采用新材料研制功率二极管。

　　在硅基功率二极管方面，结合PN结低导通损耗、优良阻断特性和SBD高频特性两者优点于一体的新器件正逐渐走向成熟并进入市场，如美国Vishay公司推出的45V-200V的TMBS系列产品，美国PowerIntegrations公司推出的Qspeed系列二极管产品等。

　　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，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器件也不断出现并成功应用于高性能IGBT模块中，如英飞凌公司的EmCon二级管、ABB公司的SPT＋二极管和日本富士电机的SASFWD等。台湾Diode公司充分利用MOS控制二极管理论和VLSI工艺研制的超势垒二极管（SuperBarrierRectifier）已经在市场上多处替代SBD。

　　随着半导体工艺技术的发展，微处理器、通讯用二次电源等都需要低电压大电流功率变换器。随着功率变换器输出电压的降低，整流损耗成为变换器的主要损耗。为使变换器效率达到90%以上，一种利用功率MOS器件低导通电阻特点的同步整流器（SR：SynchronousRectifier）及同步整流技术应运而生，低导通损耗功率MOS器件的迅速发展为高性能同步整流器奠定了强大的发展基础。

　　砷化镓（GaAs）SBD虽然已获应用，但GaAs材料1.42eV的禁带宽度和仅1.5倍于硅材料的临界击穿电场，使得GaAsSBD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。SiC材料以其3倍硅的禁带宽度、10倍硅的临界击穿电场、2倍硅的饱和漂移速度和3倍硅的热导率等优良特性而得到迅速发展。SiCSBD是第一个商业化的SiC电力电子器件，目前Cree、Rohm、Infineon等十余家厂商已经将SiCSBD产品添加在其产品系列中。Cree公司已量产600-1700V/1-50A的系列SiCSBD产品，2010年所销售的SiCSBD超过了700亿伏安（VA）。

SiC基PiN二极管比Si基PiN二极管具有更高的阻断电压（》10kV）和更高的开关速度（》10倍）。2012年，日本京都大学报道了耐压21.