浅谈功率半导体的技术与未来产业发展

7kV的SiCPiN二极管，Cree公司于2006年报道了在1.5cm？1.5cm的4H-SiC芯片上，单管输出电流达180A的4.5kVPiN二极管。在3英寸N型4H-SiC晶圆上，Cree公司制作的10kV/20APiN二极管合格率已经达到40%。

　　国内近几年在功率二极管领域发展迅速，芯片加工线已从3-4英寸向5-6英寸，甚至8英寸发展，并有江苏宏微、深圳芯微等设计公司涉足，在快恢复二极管（FRD）方面，国产器件已占据国内80%以上市场份额。

　　（二）功率晶体管

　　1.功率BJT

　　功率BJT是第一个商业化的功率晶体管，虽然存在二次击穿、安全工作区受各项参数影响而变化大、热容量小、过流能力低等缺点，学术界也一直有功率BJT将被功率MOS和IGBT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，使功率BJT仍然在功率开关器件里占有一席之地（2010年占整个功率半导体市场5%份额）。

　　与Si基BJT相比，SiC基BJT具有低20～50倍的开关损耗以及更低的导通压降，且SiCBJT由于二次击穿的临界电流密度是Si的大约100倍而免于传统的二次击穿困扰，虽然与场控器件相比较，BJT的驱动电路较为复杂，但和SiCJFET和VDMOS器件相比，其制作工艺简单。美国GeneSiC公司已推出1200V/10A的SiC功率BJT产品，并正开发1200V-10kV的系列SiC功率BJT。

　　国内有众多厂商在生产硅基功率BJT，如深圳深爱、华润华晶、吉林华微等，广泛应用于绿色照明、充电器等领域，在国际功率BJT领域占据较大份额。

　　2.功率MOSFET

　　功率MOSFET应用领域广阔，是中小功率领域内主流的功率半导体开关器件，是DC-DC转换的核心电子器件，占据着功率半导体市场单类产品的最大份额（2010年市场销售65亿美元，占整个功率半导体市场份额21%）。

　　功率MOSFET起源于1970年代推出的垂直V型槽MOSFET（VerticalV-grooveMOSFET：VVMOS），在VVMOS基础上发展起来的以VDMOS为代表的多子导电的功率MOSFET显著地减小了开关时间，同时利用了硅片自身的特性实现了纵向耐压，冲破了电力电子系统中20kHz这一长期被认为不可逾越的障碍。

　　功率MOSFET是一种功率场效应器件，通常由多个MOSFET元胞（Cell）组成。目前功率MOSFET主要包括中高压领域传统结构平面栅功率MOS器件（VDMOS），中低压领域高密度槽栅功率MOS，和近几年发展迅速的超结（SJ：SuperJunction或Multi-RESURF或3DRESURF，电子科技大学陈星弼院士的专利中称其为复合缓冲层：CompositeBufferLayer）功率MOS。

　　功率MOS是低压

　　此外，在低压功率MOS器件领域，美国TI公司结合RFLDMOS结构的低栅电荷、电荷平衡机理的低导通电阻以及引入N＋Sinker所具有的双面冷却所研发的NextFETTM获得了好的市场效果。

　　为开发高压低功耗功率MOS，德国Infineon公司在1998年推出了基于超结的CoolMOS。由于采用新的耐压层结构，CoolMOS在保持功率MOS优点的同时，有着极低的导通损耗。目前国际上已有包括Infineon、IR、Toshiba、Fairchild和我国华虹NEC等多家公司采用该结构生产600V-900V低功耗功率MOS。

　　除硅基功率MOS外，新材料也不断应用于功率MOS的发展中，多种基于GaAs、SiC和GaN材料的功率MOS已研制成功。美国DARPA高功率电子器件应用计划－HPE的目标之一就是研制10kV的SiCMOSFET。2011年1月，继日本Rohm公司首次在市场上推出SiC功率MOS以后，美国Cree公司也推出了1200V的SiCMOSFET产品。内置SiC-SBD与SiC-MOSFET的"全SiC"功率模块（额定1200V/100A）也首次由日本Rohm公司量产。

　　国内从1980年代即开始功率MOS研发，但直到2003年才由绍兴华越开始VDMOS量产，和由华虹NEC为境外客户代工槽栅功率MOS。近年来，国内功率MOS产业取得了飞速发展，已开始逐渐取代国外产品，江苏东光、深圳深爱、吉林华微、华润华晶、华润上华、杭州士兰微（600460，股吧）、重庆渝德、华虹NEC、上海宏力等一大批4－8英寸生产线均在批量生产功率MOS芯片，也产生了南方芯源、无锡新洁能、成都方舟等一批以功率MOS为主营业务的专业设计公司。但国内功率MOS的主流产品还是以平面栅功率MOS（VDMOS）为主，在专利保护众多、市场竞争激烈、市场份额最大的低压槽栅功率MOS领域，国内虽有涉足，但多以代工为主，缺乏具有自主知识产权和市场竞争力的高端产品。

国内针对SJ结构的设计和国际同步，电子科技大学等单位对SJ结构进行了大量而卓有成效的研究。SJ结构国际学术界认同的原始专利来源之一是我国的陈星弼院士，但是受限于工艺条件，国内在SJ结构的制备技术和器件开发上长期未获进展。2009年底，上海华虹NEC和电子科技大学合作，采用深槽刻蚀和外延