浅谈功率半导体的技术与未来产业发展

和MOS界面的单极器件JFET，由于采用p-n结栅极，避免了SiCMOSFET存在的低反型层沟道迁移率和SiO2层可靠性低的问题。SiCJFET功率开关已成为SiC单极器件的热点研究领域，美国Rutgers大学报道的常关型Ti-VJFET器件的阻断电压已达到11kV，比导通电阻130m.cm2，品质因子930MW/cm2。美国SemiSouth公司已商业推出从650V-1700V的系列SiCJFET产品。

　　静电感应晶体管（Staticinductiontransistors，SIT）是一种由pn结栅或肖特基结栅控制的多子导电器件，除了应用在微波功率器件的低频领域（UHF－C波段）外，SiCSIT是市场上第一款SiC功率开关器件。该SiCSIT器件耐压为1200V，导通电阻为12m.cm2。

　　GaN材料具有3倍硅的禁带宽度、10倍硅的临界击穿电场和2.5倍硅的饱和漂移速度，特别是基于GaN的AlGaN/GaN结构具有更高的电子迁移率，使得GaN器件具有低导通电阻、高工作频率，能满足下一代电子装备对功率器件更大功率、更高频率、更小体积和更恶劣高温工作的要求。近年来，随着GaN材料在光电器件领域的广泛应用，加速了GaN材料的发展，特别是大直径硅衬底GaN外延生长技术的进步以及逐步商业化，使得GaN具有更低廉的成本价格，有力地促进了GaN功率半导体器件的发展。

　　目前，基于GaN的功率开关器件主要包括AlGaN/GaNHEMT（HFET）、GaN基MOSFET和MIS-HEMT等结构。其中，AlGaN/GaNHEMT具有工艺简单、技术成熟、优良的正向导通特性和高的工作频率等优点，成为GaN功率开关器件中最受关注的结构。

　　众所周知，基于AlGaN/GaN结构的晶体管是耗尽型（常开型）器件，而具有正阈值电压的增强型（常关型）功率开关器件能够确保功率电子系统的安全性、降低系统成本和复杂性等，是功率系统中的首选器件。因此，对于AlGaN/GaNHEMT器件而言，增强型HEMT器件实现技术也是研究者们极其关注的问题。目前国际上多采用超薄AlGaN层、凹槽栅、P型栅和氟离子注入等方法实现增强型导电沟道。

　　目前基于6英寸硅基GaN平台，IR公司和EPC公司分别推出了30V和100V/200V的GaN场效应电力电子器件，600V-900VGaN器件在近期也将推向市场。以欧洲微电子研究中心为代表的研发机构正开展8英寸硅基GaN电力电子器件研究。
　　（三）晶闸管类器件

　　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，其最大电流额定值达到10kA，电压额定值可达12kV。ABB公司和株洲南车时代公司已分别在150mm直径的硅片上工业化生产8.5kV/4kA和7.2kV/4.5kA的晶闸管。

　　晶闸管改变了整流管"不可控"的整流特性，为方便地调节输出电压提供了条件。但其控制极（门极）仅有控制晶闸管导通的作用，不能使业已导通的晶闸管恢复阻断状态，只有借助将阳极电流减小至维持电流以下或阴、阳极间电压反向来关断晶闸管。在整流电路中，交流电源的负半周自然会关断晶闸管，但在直流电路中，要想关断晶闸管必须设置能给其施加反向电压的换向电路才行，这给应用带来很大麻烦。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在这种情况下应运而生并得到发展，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英寸硅片上生产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，小的安全工作区（SafeOperatingArea—SOA），以及在工作时需要一个庞大的吸收（Snubber）电路等缺点。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特点的基础上，多种MOS栅控制且具有硬关断（HardSwitching）能力的新型大功率半导体器件在上世纪九十年代相继问世并陆续走向市场。所谓硬关断晶闸管即是在关断时能在一个很短的时间内（如1？s）完成全部阳极电流向门（栅）极的转移，此时的晶闸管关断变成了一个pnp晶体管关断模式，因而无需设置庞大、笨重且昂贵的吸收电路。硬关断晶闸管的代表性产品包括瑞典ABB公司研制的集成栅换流晶闸管IGCT、美国硅功率公司提出的MOS关断晶闸管MTO和由美国AlexHuang提出的发射极关断晶闸管ETO。在硬关断晶闸管中，IGCT应用较为广泛。IGCT是集成门极驱动电路和门极换流晶闸管（GCT）的总称，其中GCT部分是在GTO基础上做重大改进而形成，是一种较理想的兆瓦（MW）级中高压半导体开关器件。我国株洲南车时代公司也量产有4.5kV/4kA的IGCT。

　　（四）功率集成电路

PIC出现于七十年代后期，由于单芯片集成，PIC减少了系统中的元件数、互连数和焊点数，不仅提高了系统的可靠性、稳定性，而且减少了系统的功耗、体积、重量和成