产学研结合 IGBT走虚拟IDM之路

电子科技大学微电子与固体电子学院教授、副院长 张波

目前我国IGBT产业在国家政策及重大项目的推动及市场牵引下得到了迅速发展，呈现出大尺寸区溶(FZ)单晶材料、IGBT芯片工艺和IGBT模块封装技术全面蓬勃发展的大好局面。

我国IGBT成就显著

天津中环半导体股份有限公司研制的6英寸FZ单晶材料已批量应用，在国家"02"科技重大专项的推动下，8英寸FZ单晶材料已取得重大突破；电磁灶用1200V NPT型IGBT已由多家企业(江苏东光、华润华晶、山东科达等)批量供货，这标志着我国国产IGBT芯片打破了国外一统天下的局面；基于6英寸和8英寸的平面型和沟槽型1700V、2500V和3300V IGBT芯片已研制出样品，正进行可靠性考核，4500V和6500V IGBT芯片研制也在积极推进中；封装技术取得重大进展。株洲南车时代电气股份有限公司的IGBT功率模块已在国内地铁及机车上装车试运营，产品性能等同于国外产品，同时8英寸IGBT芯片生产线也在建设中。中国北车集团属下的西安永电电气有限责任公司生产的6500V/600A IGBT功率模块已成功下线，使其成为全球第四个、国内第一个能够封装6500V以上电压等级IGBT的厂家。此外，江苏宏微的IGBT模块已成功进入电焊机市场，浙江嘉兴斯达的IGBT模块正积极向国外市场推广。材料、设计、工艺和封装是IGBT最重要的，其中最为核心的是设计和工艺。目前国内还需在可靠性设计和工艺上、特别是与成本和性能密切相关的薄片工艺上努力探索。

虽然国内IGBT行业近年来取得了重大进展，但我们必须清醒地看到，国内IGBT行业与国外还存在巨大差距。差距主要是在芯片生产技术方面，我们在400V～600V薄片FS(场阻)结构IGBT芯片生产、高可靠高性能IGBT芯片技术、压接式IGBT功率模块生产技术等领域与国际先进水平还差之甚远。

应积极发展宽禁带器件

IGBT是中高功率应用的主流，从2010年世界功率半导体市场份额可以明显看出，IGBT以超过50%的增长率高居功率半导体领域之首，并创记录地达到32亿美元的销售额。2010年日本罗姆公司宣布量产SiC功率MOSFET，美国Cree公司随后也宣布量产1200V SiC功率MOSFET。虽然SiC功率MOSFET性能较硅基IGBT更优，但高昂的价格使其在较长时期内难以取代IGBT。我们期待SiC MOSFET首先在汽车电子、工业应用等有较大应用市场而又对价格不太敏感的领域取得突破，从而进一步带动SiC电力电子器件的发展。基于硅基衬底的GaN功率半导体器件是我看好的发展方向，但目前其主要问题是长期可靠性难以实现。SiC电力电子器件在中高功率、GaN电力电子在1200V以下的中低功率和多功能集成领域具有发展优势。

在此本人大力呼吁，虽然以SiC(碳化硅)及GaN(氮化镓)为代表的宽禁带电力电子技术目前还处于发展初期，但我们必须高度重视，应积极发展宽禁带电力电子器件，否则我们将持续落后。

设计和加工紧密结合

目前国际IGBT的发展主流是8英寸芯片生产线。在国家2009年立项的"02"科技重大专项IGBT芯片项目中也明确要求发展8英寸IGBT芯片生产线，并且以市场占有率为考核指标。目前华虹NEC等8英寸生产线在IGBT研制中正取得重大进展。但我国还需要在量大面广的400V～600V薄片FS(场阻)结构IGBT芯片生产和高可靠高性能IGBT芯片技术等领域加大投入和攻关力度。总之，市场占有率才是根本。

IGBT的发展趋势可以归纳为薄片、场阻型(FS)、更小元胞的沟槽栅单元(Cell)、以载流子注入增强和载流子存储层为代表的载流子分布优化技术、以逆导(RC)型IGBT为代表的集成技术。国际主流IGBT生产企业均是IDM企业，并朝8英寸生产线发展。IGBT的特点是系统应用、器件设计和工艺加工密切结合。国内功率半导体IDM企业的生产能力有限，先进的工艺在制造厂那边，而绝大部分系统厂家还没有能力独立发展功率半导体芯片生产线。因此目前国内发展IGBT应以先进工艺为基础，走"虚拟IDM"方式，充分结合终端用户，走产学研发展之路，发挥市场优势，走出中国特色，在此基础上进行整合，使我国最终发展成为全球功率半导体的研发生产大国。

专家观点

北京工业大学电子工程系博士生导师亢宝位

"我国IGBT的设计与加工是分离还是统一？应早日形成共识以免浪费资源。"

作为半导体器件主体的微电子器件已经发展成为两大分支：半导体集成电路和半导体功率器件。前者用于信息处理，后者用于能量(电能)处理。1980年之后国际上主流的半导体功率器件由可控硅发展为更先进的绝缘栅双极晶体管(IGBT). 它用起来更简单方便，用它制造的电力装置体积孝重量轻、成本低、更节能。我国对其重要性认识较迟，落后于国际约