淺談功率半導體的技術與未來產業(yè)發(fā)展(二)
三、功率半導體技術與產業(yè)發(fā)展狀況
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功率二極管是功率半導體器件的重要分支,占據9%的功率半導體市場份額(2011年數據)。
目前商業(yè)化的功率二極管以PiN功率二極管和肖特基勢壘功率二極管(SBD)為主。前者有著耐高壓、大電流、低泄漏電流和低導通損耗的優(yōu)點,但電導調制效應在漂移區(qū)中產生的大量少數載流子降低了關斷速度,限制了電力電子系統(tǒng)向高頻化方向發(fā)展。具有多數載流子特性的SBD有著極高的開關頻率,但其串聯(lián)的漂移區(qū)電阻有著與器件耐壓成2.5次方的矛盾關系,阻礙了SBD的高壓大電流應用,加之SBD極差的高溫特性、大的泄漏電流和軟擊穿特性,使得硅SBD通常只工作在250伏以下的電壓范圍內。
為了獲取高壓、高頻、低損耗功率二極管,研究人員正在兩個方向進行探索。一是沿用成熟的硅基器件(超大規(guī)模集成電路)工藝,通過新理論、新結構來改善高壓二極管中導通損耗與開關頻率間的矛盾關系,二是采用新材料研制功率二極管。
在硅基功率二極管方面,結合PN結低導通損耗、優(yōu)良阻斷特性和SBD高頻特性兩者優(yōu)點于一體的新器件正逐漸走向成熟并進入市場,如美國Vishay公司推出的45V-200V的TMBS系列產品,美國PowerIntegrations公司推出的Qspeed系列二極管產品等。
此外,為開發(fā)具有良好高頻特性和優(yōu)良導通特性的高壓快恢復二極管,通過控制正向導通時漂移區(qū)少數載流子濃度與分布的新結構器件也不斷出現并成功應用于高性能IGBT模塊中,如英飛凌公司的EmCon二級管、ABB公司的SPT+二極管和日本富士電機的SASFWD等。臺灣Diode公司充分利用MOS控制二極管理論和VLSI工藝研制的超勢壘二極管(SuperBarrierRectifier)已經在市場上多處替代SBD。
隨著半導體工藝技術的發(fā)展,微處理器、通訊用二次電源等都需要低電壓大電流功率變換器。隨著功率變換器輸出電壓的降低,整流損耗成為變換器的主要損耗。為使變換器效率達到90%以上,一種利用功率MOS器件低導通電阻特點的同步整流器(SR:SynchronousRectifier)及同步整流技術應運而生,低導通損耗功率MOS器件的迅速發(fā)展為高性能同步整流器奠定了強大的發(fā)展基礎。
砷化鎵(GaAs)SBD雖然已獲應用,但GaAs材料1.42eV的禁帶寬度和僅1.5倍于硅材料的臨界擊穿電場,使得GaAsSBD只能工作在600伏以下的電壓范圍內,遠遠不能滿足現代電力電子技術的發(fā)展需要。SiC材料以其3倍硅的禁帶寬度、10倍硅的臨界擊穿電場、2倍硅的飽和漂移速度和3倍硅的熱導率等優(yōu)良特性而得到迅速發(fā)展。SiCSBD是第一個商業(yè)化的SiC電力電子器件,目前Cree、Rohm、Infineon等十余家廠商已經將SiCSBD產品添加在其產品系列中。Cree公司已量產600-1700V/1-50A的系列SiCSBD產品,2010年所銷售的SiCSBD超過了700億伏安(VA)。
SiC基PiN二極管比Si基PiN二極管具有更高的阻斷電壓(》10kV)和更高的開關速度(》10倍)。2012年,日本京都大學報道了耐壓21.7kV的SiCPiN二極管,Cree公司于2006年報道了在1.5cm?1.5cm的4H-SiC芯片上,單管輸出電流達180A的4.5kVPiN二極管。在3英寸N型4H-SiC晶圓上,Cree公司制作的10kV/20APiN二極管合格率已經達到40%。
國內近幾年在功率二極管領域發(fā)展迅速,芯片加工線已從3-4英寸向5-6英寸,甚至8英寸發(fā)展,并有江蘇宏微、深圳芯微等設計公司涉足,在快恢復二極管(FRD)方面,國產器件已占據國內80%以上市場份額。
(二)功率晶體管
1.功率BJT
功率BJT是第一個商業(yè)化的功率晶體管,雖然存在二次擊穿、安全工作區(qū)受各項參數影響而變化大、熱容量小、過流能力低等缺點,學術界也一直有功率BJT將被功率MOS和IGBT所取代的觀點,但由于其成熟的加工工藝、極高的成品率和低廉的成本,使功率BJT仍然在功率開關器件里占有一席之地(2010年占整個功率半導體市場5%份額)。
與Si基BJT相比,SiC基BJT具有低20~50倍的開關損
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