淺談功率半導體的技術與未來產業發展(二)
國內有眾多廠商在生產硅基功率BJT,如深圳深愛、華潤華晶、吉林華微等,廣泛應用于綠色照明、充電器等領域,在國際功率BJT領域占據較大份額。
2.功率MOSFET
功率MOSFET應用領域廣闊,是中小功率領域內主流的功率半導體開關器件,是DC-DC轉換的核心電子器件,占據著功率半導體市場單類產品的最大份額(2010年市場銷售65億美元,占整個功率半導體市場份額21%)。
功率MOSFET起源于1970年代推出的垂直V型槽MOSFET(VerticalV-grooveMOSFET:VVMOS),在VVMOS基礎上發展起來的以VDMOS為代表的多子導電的功率MOSFET顯著地減小了開關時間,同時利用了硅片自身的特性實現了縱向耐壓,沖破了電力電子系統中20kHz這一長期被認為不可逾越的障礙。
功率MOSFET是一種功率場效應器件,通常由多個MOSFET元胞(Cell)組成。目前功率MOSFET主要包括中高壓領域傳統結構平面柵功率MOS器件(VDMOS),中低壓領域高密度槽柵功率MOS,和近幾年發展迅速的超結(SJ:SuperJunction或Multi-RESURF或3DRESURF,電子科技大學陳星弼院士的專利中稱其為復合緩沖層:CompositeBufferLayer)功率MOS。
功率MOS是低壓
此外,在低壓功率MOS器件領域,美國TI公司結合RFLDMOS結構的低柵電荷、電荷平衡機理的低導通電阻以及引入N+Sinker所具有的雙面冷卻所研發的NextFETTM獲得了好的市場效果。
為開發高壓低功耗功率MOS,德國Infineon公司在1998年推出了基于超結的CoolMOS。由于采用新的耐壓層結構,CoolMOS在保持功率MOS優點的同時,有著極低的導通損耗。目前國際上已有包括Infineon、IR、Toshiba、Fairchild和我國華虹NEC等多家公司采用該結構生產600V-900V低功耗功率MOS。
除硅基功率MOS外,新材料也不斷應用于功率MOS的發展中,多種基于GaAs、SiC和GaN材料的功率MOS已研制成功。美國DARPA高功率電子器件應用計劃-HPE的目標之一就是研制10kV的SiCMOSFET。2011年1月,繼日本Rohm公司首次在市場上推出SiC功率MOS以后,美國Cree公司也推出了1200V的SiCMOSFET產品。內置SiC-SBD與SiC-MOSFET的“全SiC”功率模塊(額定1200V/100A)也首次由日本Rohm公司量產。
國內從1980年代即開始功率MOS研發,但直到2003年才由紹興華越開始VDMOS量產,和由華虹NEC為境外客戶代工槽柵功率MOS。近年來,國內功率MOS產業取得了飛速發展,已開始逐漸取代國外產品,江蘇東光、深圳深愛、吉林華微、華潤華晶、華潤上華、杭州士蘭微(600460,股吧)、重慶渝德、華虹NEC、上海宏力等一大批4-8英寸生產線均在批量生產功率MOS芯片,也產生了南方芯源、無錫新潔能、成都方舟等一批以功率MOS為主營業務的專業設計公司。但國內功率MOS的主流產品還是以平面柵功率MOS(VDMOS)為主,在專利保護眾多、市場競爭激烈、市場份額最大的低壓槽柵功率MOS領域,國內雖有涉足,但多以代工為主,缺乏具有自主知識產權和市場競爭力的高端產品。
國內針對SJ結構的設計和國際同步,電子科技大學等單位對SJ結構進行了大量而卓有成效的研究。SJ結構國際學術界認同的原始專利來源之一是我國的陳星弼院士,但是受限于工藝條件,國內在SJ結構的制備技術和器件開發上長期未獲進展。2009年底,上海華虹NEC和電子科技大學合作,采用深槽刻蝕和外延填充技術成功實現了SJ功率MOSFET,擊穿電壓達到750V,部分動態參數優于國外同類產品。該成果打破了國內在SJ結構的制備和SJ器件的實用化研究方面的空白,同時也成為國際上首家8英寸SJ功率MOSFET代工平臺。目前上海華虹NEC的SJ功率MOSFET平臺已基本成熟,已有國內外十余家企業在其平臺上逐步量產產品。
3.IGBT
IGBT自1980年代發明后很快走入市場并取得巨大成功。IGBT電壓應用領域從370V到6500V,是中高功率應用的主流開關器件。2010年全球IGBT市場銷售額較2009年增長56%,達到32億美元,占整個功率半導體市場份額10%。
隨著研發人員對IGBT器件物理的深入理解和微電子工藝的進步,IGBT正向導通時漂移區非平衡載流子濃度分布控制以及關斷時快速抽取的所謂“集電極工程”、表面電子濃度增強的“柵工程”、IGBT芯
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